KR20180124348A - An Hydrogen Manufacturing Apparatus and a Method of Producing Hydrogen using Thereof - Google Patents

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Abstract

The present invention relates to an apparatus for manufacturing hydrogen from raw material gas containing a large amount of carbon monoxide by using microorganism, and to a method for manufacturing hydrogen using the same. In particular, the present invention does not require to have a heat exchanger for pre-heating feed gas as a biological aqueous gas conversion process using microorganisms and separate steam to reduce construction and operating costs so that the apparatus does not require a catalyst and can achieve the conversion rate of the carbon monoxide of nearly 100% by one reactor.

Description

수소 제조 장치 및 이를 이용하여 수소를 제조하는 방법 {An Hydrogen Manufacturing Apparatus and a Method of Producing Hydrogen using Thereof}[0001] The present invention relates to an apparatus for producing hydrogen and a method for producing hydrogen using the same,

본 발명은 수소 제조 장치 및 이를 이용하여 수소를 제조하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 미생물을 이용하여 일산화탄소를 포함하는 가스로부터 수소를 제조하는 장치 및 이를 이용하여 수소를 제조하는 방법에 관한 것이다.More particularly, the present invention relates to a device for producing hydrogen from a gas containing carbon monoxide by using microorganisms and a method for producing hydrogen by using the same. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a hydrogen production apparatus and a method for producing hydrogen using the same, .

대량으로 생산되는 일산화탄소를 포함하는 가스는 석탄 가스화 또는 천연가스 개질을 통해 생산된 합성가스와 제철소 또는 석유화학 공정에서 부산물로 생산되는 부생가스 등이 있다.Gas containing carbon monoxide, which is produced in large quantities, includes syngas produced through coal gasification or natural gas reforming, and by-product gas produced as a by-product in steelworks or petrochemical processes.

석탄 가스화 기술은 석탄을 직접 연소하지 않고, 고온 및 고압 조건에서 가스화 반응을 통해 일산화탄소와 수소가 주성분인 합성가스를 제조하는 기술로서, 이러한 가스화 기술을 통하여 석탄을 고효율이면서 환경적으로 청정하게 이용할 수 있다.Coal gasification technology is a technology to produce syngas composed mainly of carbon monoxide and hydrogen through gasification reaction at high temperature and high pressure without directly burning coal. Through this gasification technology, coal can be used efficiently and environmentally clean have.

제철소에서 발생하는 부생가스는 COG(Coke Oven Gas, 코크스로 가스), BFG(Blast Furnace Gas, 고로 가스), LDG(Linze Dnawitz Gas, 전로 가스)가 있다. 제철소의 부생가스 중 일산화탄소 함량이 가장 높은 것은 LDG이다.COG (Coke Oven Gas), BFG (Blast Furnace Gas), LDG (Linze Dnawitz Gas) and converter gas are the by-products of the steelworks. LDG is the most carbon monoxide in the by-product gas of the steelworks.

합성가스 또는 부생가스 등의 일산화탄소가 다량으로 함유된 가스(이하 '원료가스', BG)를 활용하여 수소를 제조하기 위해서는 수성가스 전환공정을 거치는데, 종래에는 열화학적 수성가스 전환공정이 주로 활용되었다. 도 1은 일반적인 석탄 가스화를 통해 합성가스를 생산하고 이를 가지고 수소를 제조하는 전체 공정(100)을 간략하게 나타낸 것이다.In order to produce hydrogen by using a gas containing a large amount of carbon monoxide such as syngas or byproduct gas (hereinafter, referred to as 'raw material gas' or BG), a water gas conversion process is performed. Conventionally, a thermochemical water gas conversion process is mainly utilized . FIG. 1 is a simplified schematic diagram of an entire process 100 for producing hydrogen from synthesis gas through common coal gasification.

도 1에 도시된 바와 같이, 먼저 공기 분리장치(110)는 유입된 공기를 산소와 질소로 분리한 후 산화제로서 산소를 가스화장치(120)에 공급한다. 공기 분리장치(110)로부터 산소를 공급받은 가스화장치(120)는 석탄을 불완전연소 및 가스화시켜 합성가스(CO, H2, CO2, CH4, H2S 등)를 생성한다. 합성가스 냉각장치(130, Quench and Scrubber)는 가스화장치(120)에서 생성된 합성가스의 불순물을 세정하고 냉각시켜 수성가스 전환장치(140)에 제공한다. 합성가스 냉각장치(130)로부터 냉각된 합성가스를 제공받은 수성가스 전환장치(140)는 수성가스 전환반응(CO+H2O → CO2+H2)을 통해 일산화탄소를 이산화탄소 및 수소로 전환한 생성가스를 합성가스 정제장치(150)에 제공한다. 상기 합성가스 정제장치(150)는 이산화탄소, 수소, 미량의 메탄(CH4)이 주성분인 생성가스를 정제한 후 이산화탄소 분리장치(160)에 공급한다. 합성가스 정제장치(150)로부터 생성가스를 공급받은 이산화탄소 분리장치(160)는 생성가스에서 이산화탄소를 분리하고, 분리된 이산화탄소는 이산화탄소 처리기(미도시)로 공급한다. 이산화탄소 분리장치(160)로부터 정제된 가스를 제공받은 압력스윙 흡착장치(170, Pressure Swing Adsorption: PSA)는 압력을 높게 하여 가스를 흡착제에 흡착시키고 압력을 낮게 하는 것으로 흡착제에서 가스를 탈착시키는 방법으로 수소를 분리한다. 압력스윙 흡착장치(170)에서 분리된 수소는 가스터빈 또는 연료전지를 이용하여 발전을 하거나 원료 자체로 사용될 수 있다. 원료로 사용되는 수소를 제외한 잔여가스는 가스 터빈(180)에 제공된다. 가스 터빈(180)의 연소기에서 배출되는 고온의 연소가스는 폐열 회수장치(181)로 공급한다. 폐열 회수장치(181)는 가스 터빈(180)에서 배출되는 연소가스에서 배출되는 폐열을 회수하여 스팀을 생성하는 스팀 터빈(182)에 제공한다.As shown in FIG. 1, the air separation apparatus 110 first separates the introduced air into oxygen and nitrogen, and then supplies oxygen as an oxidizing agent to the gasification apparatus 120. The gasifier 120 supplied with oxygen from the air separation unit 110 generates synthesis gas (CO, H 2 , CO 2 , CH 4 , H 2 S, etc.) by incomplete combustion and gasification of coal. The syngas and scrubber 130 cleans impurities of the syngas produced in the gasification unit 120, and provides cooling to the water gas shift unit 140. The water gas shift device 140 provided with the syngas cooled from the syngas cooler 130 converts the carbon monoxide into carbon dioxide and hydrogen through a water gas conversion reaction (CO + H 2 O? CO 2 + H 2 ) And supplies the generated gas to the syngas purification apparatus 150. The syngas purifier 150 purifies carbon dioxide, hydrogen, a product gas mainly composed of methane (CH4), and supplies it to the carbon dioxide separator 160. [ The carbon dioxide separator 160, which receives the generated gas from the syngas purifier 150, separates carbon dioxide from the generated gas and supplies the separated carbon dioxide to a carbon dioxide processor (not shown). Pressure swing adsorption (PSA) 170, which is supplied with purified gas from the carbon dioxide separator 160, is a method of desorbing gas from the adsorbent by increasing the pressure to adsorb the gas to the adsorbent and lowering the pressure Separate the hydrogen. The hydrogen separated from the pressure swing adsorption device 170 can be used for power generation using the gas turbine or the fuel cell or as the raw material itself. Residual gas, other than hydrogen, used as a feedstock is provided to the gas turbine (180). The high-temperature combustion gas discharged from the combustor of the gas turbine 180 is supplied to the waste heat recovering device 181. The waste heat recovering device 181 recovers the waste heat discharged from the combustion gas discharged from the gas turbine 180 and provides it to the steam turbine 182 for generating steam.

공급되는 원료가스(BG)의 종류에 따라 일부 세부 구성은 상이할 수 있으나, 합성가스 또는 부생가스를 사용하여 수소를 생성하는 종래의 열화학적 수성가스 전환공정(10)을 도 2에 자세히 나타내었다. 이는 도 1의 수성가스 전환장치(140)의 세부 구성에 해당한다.A conventional thermochemical water gas conversion process 10 for producing hydrogen using syngas or by-product gas is shown in detail in FIG. 2, although some detailed configurations may differ depending on the type of source gas BG to be supplied . This corresponds to the detailed configuration of the water gas shift device 140 of FIG.

도 2에 도시된 바와 같이 열화학적 수성가스 전환공정은 350 ~ 450℃ 사이의 고온에서 진행되는 고온 수성가스 전환반응기(13)와 300℃ ~ 350℃의 저온에서 진행되는 저온 수성가스 전환반응기(15)로 구성된다. 고온 수성가스 전환반응기(13)와 저온 수성가스 전환반응기(15) 사이에는 가스 온도를 250℃까지 냉각시키는 냉각기 또는 열교환기와 같은 제1쿨러(14)가 설치되어야 하며, 저온 수성가스 전환반응기(15)에서 300℃ ~ 350℃로 반응한 가스 온도를 냉각하기 위한 제2쿨러(16)도 설치되어야 한다.As shown in FIG. 2, the thermochemical water gas conversion process includes a high temperature water gas conversion reactor 13 operating at a high temperature of 350 to 450 ° C. and a low temperature water gas conversion reactor 15 (low temperature water gas conversion reactor) ). A first cooler 14 such as a cooler or a heat exchanger for cooling the gas temperature to 250 ° C should be installed between the high temperature water gas shift reactor 13 and the low temperature water gas shift reactor 15, A second cooler 16 for cooling the gas temperature reacted at 300 ° C to 350 ° C should also be provided.

고온 수성가스 전환반응기(13)를 통해 수소 제조 반응은 빠르게 진행되나, 열역학적으로 전환율이 낮다. 그러므로 저온 수성가스 전환반응기(15)를 통해 나머지 일산화탄소를 수소로 전환되도록 해야 한다. 저온 수성가스 전환반응의 반응 속도는 고온 수성가스 전환반응에 대비하여 상대적으로 낮지만 높은 전환율을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 이와 같이 기존 열화학적 수성가스 전환반응을 통해 수소를 얻기 위해서는 고온과 저온에서 운전되는 2개 이상의 반응기(13, 15)가 필요하다.The hydrogen production reaction proceeds rapidly through the hot water gas shift reactor 13, but the conversion rate is thermodynamically low. Therefore, it is necessary to convert the remaining carbon monoxide into hydrogen through the low temperature water gas shift reactor (15). The reaction rate of the low temperature water gas conversion reaction is relatively low in comparison with the high temperature water gas conversion reaction, but has a merit that a high conversion rate can be obtained. Thus, in order to obtain hydrogen through the existing thermochemical water gas conversion reaction, two or more reactors (13, 15) operating at high temperature and low temperature are required.

또한, 고온 수성가스 전환반응을 위해서는 유입되는 가스의 온도를 촉매(Cu, Fe, Co-Mo 등)의 활성온도인 250℃까지 예열하여야 하며, 수성가스 전환반응에 필요한 증기를 공급하기 위한 증기 공급장치(12)가 설치되어야 한다.In addition, in order to perform a high-temperature water gas conversion reaction, it is necessary to preheat the temperature of the introduced gas to 250 ° C which is the active temperature of the catalyst (Cu, Fe, Co-Mo, etc.) The device 12 must be installed.

이와 같이 기존 수성가스 전환공정에서는 고온/저온 수성가스 전환반응기와 고온 수성가스 전환반응기(13)로 유입되는 가스 예열장치(11), 수성가스 전환반응에 필요한 증기 공급 장치(12), 고온 수성가스 전환반응기에서 배출되는 가스를 냉각시키는 열교환기(14) 등의 많은 장비가 필요하며, 각 반응기의 온도를 맞추기 위해 가스 예열이나 열교환기 조건이 미리 정해져 있어야 하는 등 공정상의 어려움이 있다.Thus, in the conventional water gas conversion step, the gas preheating device 11 that flows into the high temperature / low temperature water gas conversion reactor and the high temperature water gas conversion reactor 13, the steam supply device 12 necessary for the water gas conversion reaction, A heat exchanger 14 for cooling the gas discharged from the conversion reactor, and the like. In order to adjust the temperature of each reactor, there is a difficulty in the process such as gas preheating or heat exchanger condition must be predetermined.

최근에 관심이 집중되고 있는 생물학적 수성가스 전환공정은 미생물을 활용한 수성가스 전환반응을 이용해 수소를 제조하는 공정이다. 미생물을 활용한 생물학적 수성가스 전환반응은 열화학적 수성가스 전환반응과 반응식은 아래와 같이 동일하나 열화학적 수성가스 전환반응의 촉매 대신에 미생물을 사용한다는 점에서 차이가 있다.Recently, the biogas water gas conversion process, which is focused on, is a process for producing hydrogen using a microbial water gas conversion reaction. The biological water gas conversion reaction using microorganisms is different in that the thermochemical water gas conversion reaction and the reaction formula are the same as each other but the microorganism is used instead of the catalyst for the thermochemical water gas conversion reaction.

CO(g) + H2O(l) →H2(g) + CO2(g) ΔH = 2.8KJ/molCO (g) + H 2 O (1)? H 2 (g) + CO 2 (g)? H = 2.8 KJ / mol

생물학적 수성가스 전환공정과 관련된 기술적인 내용은 특허문헌 1, 2, 3에 기재되어 있다. 종래 특허문헌은 생물학적 수성가스 전환공정과 관련한 원리적인 공정과 배치 타입의 기초적인 내용만이 기재되어 있으며, 원료가스를 활용한 연속식 공정으로 구성하여 전체적인 반응의 효율을 높이는 구성에 대해서는 연구된 바가 없다.The technical contents related to the biological water gas conversion process are described in Patent Documents 1, 2, and 3. Conventional patent documents disclose only the basic contents of the basic process and batch type related to the biological water gas conversion process, and the configuration for improving the overall reaction efficiency by constituting a continuous process using the raw material gas has been studied none.

등록특허공보 제1401565호Patent Registration No. 1401565 등록특허공보 제1401559호Patent Registration No. 1401559 등록특허공보 제1401563호Patent Registration No. 1401563

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 원료가스에 포함된 일산화탄소로부터 수소를 제조하기 위한 연속공정에 관한 것으로서 수소생산 미생물을 이용한 것이다. 본 발명은 공급가스를 예열하기 위한 열교환기가 필요 없고 별도의 증기를 공급할 필요가 없어 건설비 및 운영비를 절감하며, 촉매가 필요하지 않고 1개의 반응기로 일산화탄소의 전환율을 100% 가까이 달성할 수 있는 수소 제조 장치 및 이를 이용하여 수소를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention is directed to a continuous process for producing hydrogen from carbon monoxide contained in a raw material gas, using hydrogen-producing microorganisms. The present invention eliminates the need for a heat exchanger for preheating the feed gas and reduces the construction cost and operating cost by eliminating the need to supply additional steam, and it is also possible to produce hydrogen that can achieve a conversion rate of carbon monoxide And a method for producing hydrogen using the same.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 제1양태는 효모추출액, 혐기성 소화여액(AL), 바닷물을 혼합하는 원료 혼합 탱크(TK-106); 일산화탄소를 포함하는 원료가스(BG) 및 상기 원료 혼합 탱크(TK-106)로부터 공급받은 원료를 이용하여 미생물에 의한 수성가스 전환반응이 일어나는 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103); 상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)로부터 생성되는 폐배지를 폐고체 및 폐액체로 분리하는 분리기(TK-110); 상기 분리기(TK-110)로부터 공급받은 폐액체 및 하기 응축 분리기(TK-107)로부터 공급받은 하기 응축액으로부터 소각용 폐가스(PG)를 생산하고 하단으로는 폐액체를 배출하는 폐액체 배출 탱크(TK-108); 상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 생성되는 수소가 다량으로 함유된 수성가스를 냉각하는 수성가스 냉각기(E-101); 상기 수성가스 냉각기(E-101)로부터 공급받은 냉각된 수성가스로부터 상단으로는 수소가 주성분인 수성가스(PDG)를 배출하고 하단으로는 응축액을 상기의 폐액체 배출 탱크(TK-108)로 공급하는 응축 분리기(TK-107);를 포함하는 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치를 제공한다.In order to solve the above problems, a first aspect of the present invention provides a method for producing a fermented milk, comprising: a raw material mixing tank (TK-106) for mixing yeast extract, anaerobic digestion filtrate (AL) and seawater; (R-101, 102, 103) in which a water gas conversion reaction by a microorganism takes place using a raw gas (BG) containing carbon monoxide and a raw material supplied from the raw material mixing tank (TK-106) ; A separator (TK-110) for separating the waste medium generated from the microbial reactors (R-101, 102, 103) into waste solid and waste liquid; A waste liquid discharge tank (TK) for producing an incineration waste gas (PG) from the waste liquid supplied from the separator (TK-110) and the following condensate supplied from the following condenser separator (TK-107) -108); A water gas cooler (E-101) for cooling a water gas containing a large amount of hydrogen generated in the microbial reactors (R-101, 102, 103); (PDG) as a main component from the cooled water gas supplied from the water gas cooler (E-101) to the upper end and a condensate to the waste liquid discharge tank (TK-108) (BG) including a condenser / separator (TK-107) for converting a microbial water gas into a raw gas (BG).

본 발명의 제2양태는 바닷물을 상기 원료 혼합 탱크(TK-106)에 혼합하기 전에 바닷물을 가열할 수 있는 바닷물 히터(E-102)가 부가된 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치를 제공한다.The second aspect of the present invention is a method for converting a microbial water gas conversion reaction from a raw material gas (BG) to which a seawater heater (E-102) capable of heating seawater is added before mixing seawater into the raw material mixing tank (TK-106) Thereby producing an aqueous gas.

본 발명의 제3양태는 상기 미생물은 써모코커스 온누리누스(Thermococcus onnurineus)인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치를 제공한다.The third aspect of the present invention provides an apparatus for producing a water gas through a microbial water gas conversion reaction from a feed gas (BG) which is Thermococcus onnurineus.

본 발명의 제4양태는 상기 미생물 반응기는 미생물 수성가스 전환반응이 일어나는 구역의 온도를 80℃ 이상 90℃ 미만을 유지할 수 있도록 반응기 내부 스팀관 및 상기 스팀관으로부터 연장되는 방열핀을 추가로 구비한 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치를 제공한다.In a fourth aspect of the present invention, the microbial reactor is a microbial reactor having a reactor internal steam pipe and a heat transfer fin extending from the steam pipe so as to maintain the temperature of the zone where the microbial water gas conversion reaction occurs, An apparatus for producing a water gas through a microbial water gas conversion reaction from a gas (BG).

본 발명의 제5양태는 1) 효모추출액, 혐기성 소화여액(AL), 바닷물을 혼합하여 원료를 제조하는 단계; 2) 일산화탄소를 포함하는 원료가스(BG) 및 상기 1) 단계에서 제조한 원료를 미생물에 의한 수성가스 전환반응이 일어나는 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에 공급하는 단계; 3) 상기 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 미생물을 사용하여 수성가스 전환반응을 하는 단계; 4) 상기 미생물 반응기로부터 생성되는 폐배지를 폐고체 및 폐액체로 분리하는 단계; 5) 상기 폐액체 및 하기 수성가스 냉각으로 발생된 응축액으로부터 소각용 폐가스(PG)를 생산하는 단계; 6) 상기 미생물 반응기에서 생성되는 수소가 다량으로 함유된 수성가스를 냉각하여 수소가 주성분인 수성가스(PDG)를 생성하고 응축액을 배출하는 단계;를 포함하며, 상기 1) 내지 6) 단계가 스타트업 및 셧다운 과정을 제외하고는 동시에 진행되는 연속식 공정인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법을 제공한다.A fifth aspect of the present invention is a method for producing a yeast extract, comprising: 1) preparing a raw material by mixing yeast extract, anaerobic digestion filtrate (AL) and seawater; 2) supplying raw material gas (BG) containing carbon monoxide and the raw material prepared in the step 1) to at least one microbial reactor (R-101, 102, 103) in which a water gas conversion reaction with microorganisms occurs; 3) performing a water gas conversion reaction using microorganisms in the at least one microbial reactor (R-101, 102, 103); 4) separating the waste medium produced from the microbial reactor into a waste solid and a waste liquid; 5) producing an incineration waste gas (PG) from the waste liquid and a condensate generated by cooling the water gas below; 6) cooling a water gas containing a large amount of hydrogen generated in the microbial reactor to generate a water-based gas (PDG) containing hydrogen as a main component and discharging a condensate; and the steps 1) to 6) (BG), which is a continuous process which is carried out at the same time, except for the up-and-down and shut-down processes.

본 발명의 제6양태는 상기 2) 단계에서 일산화탄소를 포함하는 원료가스(BG)는 10기압 이상으로 압축되어 공급되는 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법을 제공한다.In a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for producing a water gas from a raw material gas (BG) compressed and supplied at a pressure of 10 atm or higher by a microbial water gas conversion reaction in a raw material gas (BG) containing carbon monoxide in the step 2) to provide.

본 발명의 제7양태는 상기 압축하는 압력은 70 내지 80기압인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법을 제공한다.A seventh aspect of the present invention provides a method for producing a water gas through a microbial water gas conversion reaction from a raw gas (BG) at a pressure of 70 to 80 atm.

본 발명의 제8양태는 상기 3) 단계에서 미생물 반응기 내의 미생물 수성가스 전환반응이 일어나는 구역의 온도는 80℃ 이상 90℃ 미만이며, 미생물은 써모코커스 온누리누스(Thermococcus onnurineus)인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법을 제공한다.In the eighth aspect of the present invention, in the step 3), the temperature of the zone where the microbial water gas conversion reaction occurs in the microbial reactor is 80 ° C or more and less than 90 ° C, and the microorganism is Thermoglass (Thermococcus onnurineus) To a microbial water-gas conversion reaction.

본 발명의 제9양태는 상기 온도를 유지할 수 있도록 스팀관으로부터 연장되는 방열핀을 구비한 반응기 내부의 스팀관에 스팀을 공급하여 온도를 조절하는 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법을 제공한다.In a ninth aspect of the present invention, steam is supplied to a steam pipe inside a reactor having a radiating fin extending from the steam pipe so as to maintain the temperature, and water is supplied from the raw gas (BG) Providing a method of producing gas.

본 발명의 제10양태는 상기 1) 단계에서 효모추출액과 혐기성 소화여액(AL)은 동일한 부피로 혼합되는, 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법을 제공한다.The tenth aspect of the present invention provides a method for producing a water gas through a microbial water gas conversion reaction from a raw material gas (BG) in which the yeast extract and the anaerobic digestion filtrate (AL) are mixed at the same volume in the step 1) .

본 발명의 제11양태는 상기 3) 단계에서 상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)의 pH가 6.8인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법을 제공한다.The eleventh aspect of the present invention provides a method for producing a water gas from a raw material gas (BG) having a pH of 6.8 in the microbial reactor (R-101, 102, 103) do.

본 발명은 원료가스에 포함된 일산화탄소로부터 수소를 제조하기 위한 연속공정에 관한 것으로서 수성가스 전환반응에 수소생산 미생물을 이용한 것이다.The present invention relates to a continuous process for producing hydrogen from carbon monoxide contained in a raw material gas, and uses hydrogen-producing microorganisms for the water gas conversion reaction.

본 발명은 공급가스를 예열하기 위한 열교환기가 필요 없고 별도의 증기나 가열장치가 필요 없어 건설비 및 운영비가 절감되며, 촉매가 필요하지 않고 1개의 반응기로 일산화탄소의 전환율을 100% 가까이 달성할 수 있다.The present invention eliminates the need for a heat exchanger to preheat the feed gas, eliminates the need for a separate steam or heating device, reduces construction and operating costs, and allows a single reactor to achieve a conversion rate of carbon monoxide close to 100% without the need for a catalyst.

종래의 열화학적인 수성가스 전환공정이 발열 반응인 것에 비해, 본 발명에 따른 생물학적 수성가스 전환공정은 약한 흡열 반응으로 소량의 에너지 공급만이 필요하여 운전이 용이하다.In contrast to the conventional thermochemical water gas conversion process being an exothermic reaction, the biological water gas conversion process according to the present invention requires only a small amount of energy supply due to a weak endothermic reaction and is thus easy to operate.

또한, 본 발명에 따른 수소의 생산 방법은 연속식으로 운영을 할 수 있을 뿐만 아니라 생물학적 반응기를 여러 개 사용하여 생물학적 반응기의 운전에 필수적으로 필요한 주기적인 세척 등의 관리에 있어서도 공정을 정지하고 않고 계속적으로 운전할 수 있는 장점이 있다.In addition, the method of producing hydrogen according to the present invention is not only capable of continuous operation, but also uses a plurality of biological reactors to continuously stop the process even in the periodic cleaning and the like necessary for the operation of the biological reactor It is advantageous to be able to operate.

또한, 본 발명은 생물학적 수성가스 전환공정에 사용되는 미생물의 에너지원을 다변화하였다. 종래의 효모추출물 외에 혐기성 소화여액을 추가로 사용할 수 있게 하여 수소 생산에 따른 비용을 대폭적으로 절감할 수 있을 뿐만 아니라 환경 폐기물을 재활할 수 있다는 추가의 장점이 있다.In addition, the present invention has diversified the energy source of the microorganisms used in the biological water gas conversion process. It is possible to further use the anaerobic digestion filtrate in addition to the conventional yeast extract, thereby remarkably reducing the cost due to the hydrogen production, and there is an additional advantage that the environmental waste can be rehabilitated.

또한, 각 공정에 적합한 재료를 선택함으로써 반응에 사용된 바닷물에 의한 부식에 강한 장점이 있다.Also, by selecting a material suitable for each process, there is a strong resistance to corrosion caused by seawater used in the reaction.

또한, 공정에서 발생된 폐액체, 폐고체를 한꺼번에 처리할 수 있다.In addition, waste liquid and waste solid generated in the process can be treated at once.

도 1은 일반적인 석탄 가스화를 통해 수소를 제조하는 전체 공정이다.
도 2는 종래의 열화학적 수성가스 전환공정이다.
도 3은 본 발명에 따른 미생물을 사용하여 원료가스로부터 수소를 제조할 수 있는 생물학적 수소 제조공정이다.
1 is an overall process for producing hydrogen through general coal gasification.
2 is a conventional thermochemical water gas conversion process.
3 is a biological hydrogen production process capable of producing hydrogen from a raw material gas using the microorganism according to the present invention.

이하, 본 발명에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어 또는 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예에 제시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail. Prior to this, terms and words used in the present specification and claims should not be construed as limited to ordinary or dictionary terms, and the inventor may designate the concept of a term appropriately in order to describe its own invention in the best way possible. It should be interpreted as meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention. Therefore, it is to be understood that the present invention may be embodied in many other specific forms such as those described in the following embodiments, It should be understood that variations can be made.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한, 하기 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, the following examples can be modified in various forms, and the scope of the present invention is not limited to the following examples.

본 발명에 따른 장치는 일산화탄소가 다량으로 함유된 원료가스(BG)를 압축하는 원료가스 압축기(C-101); 본 발명에 따른 미생물의 일차 에너지원인 효모추출물(YEAST)을 보관할 수 있는 효모추출물 저장 탱크(TK-102); 바닷물(SW)을 공급받아 저장하는 바닷물 저장 탱크(TK-104); 상기 바닷물 저장 탱크(TK-104)의 바닷물이 효모추출액 탱크(TK-103) 및 원료 혼합 탱크(TK-106)에 공급되기 전에 이를 가열하는 바닷물 히터(E-102); 상기 효모추출물 저장 탱크(TK-102)로부터 공급받은 효모추출물과 상기의 바닷물 히터(E-102)에 의해서 가열된 바닷물을 혼합하는 효모추출액 탱크(TK-103); 혐기성 소화여액(AL)을 보관하는 혐기성 소화여액 저장 탱크(TK-105); 상기의 효모추출액 탱크(TK-103)로부터 효모추출액, 상기 혐기성 소화여액 저장 탱크(TK-105)로부터 혐기성 소화여액, 바닷물 히터(E-103)에 의해서 가열된 바닷물을 혼합 보관하는 원료 혼합 탱크(TK-106); 염기성 용액을 보관할 수 있는 염기성 용액 저장 탱크(TK-101); 상기 원료가스 압축기(C-101)로부터 원료가스를, 상기 원료 혼합 탱크(TK-106)로부터 원료를; 상기 염기성 용액 저장 탱크(TK-101)로부터 염기성 용액을 각각 공급받아 미생물에 의한 수성가스 전환 반응이 일어나는 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103); 상기 미생물 반응기로부터 생성되는 폐배지(WM)를 저장하는 폐배지 저장 탱크(TK-109); 상기 폐배지 저장 탱크(TK-109)로 공급받은 폐배지를 폐고체(WS) 및 폐액체(WL)로 분리하는 분리기(TK-110); 상기 분리기(TK-110)로부터 공급받은 폐고체(WS)를 배출하기 위해 보관하는 폐고체 배출 탱크(TK-111); 상기 분리기(TK-110)로부터 공급받은 폐액체(WL) 및 하기 응축 분리기(TK-107)로부터 공급받은 하기 응축액으로부터 상단으로는 소각용 폐가스(PG)를 하단으로는 페액체를 배출하는 폐액체 배출 탱크(TK-108); 상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 생성되는 수소가 다량 함유된 수성가스를 냉각하는 수성가스 냉각기(E-101); 상기 수성가스 냉각기(E-101)로부터 공급받은 냉각된 수성가스를 응축하여 상단으로는 수소가스가 주성분인 수성가스를 배출하고 하단으로는 응축액을 폐액체 배출 탱크(TK-108)로 공급하는 응축 분리기(TK-107);를 포함한다.The apparatus according to the present invention comprises: a raw material gas compressor (C-101) for compressing a raw gas (BG) containing a large amount of carbon monoxide; A yeast extract storage tank (TK-102) capable of storing yeast extract (YEAST) as a primary energy source of microorganisms according to the present invention; A seawater storage tank (TK-104) for receiving and storing seawater (SW); A seawater heater (E-102) for heating seawater of the seawater storage tank (TK-104) before being supplied to the yeast extract tank (TK-103) and the raw material mixing tank (TK-106); A yeast extract tank (TK-103) for mixing yeast extract supplied from the yeast extract storage tank (TK-102) and seawater heated by the seawater heater (E-102); Anaerobic digestion filtrate storage tank (TK-105) for storing anaerobic digestion filtrate (AL); A raw material mixing tank for mixing and storing a yeast extract from the yeast extract tank (TK-103), anaerobic digestion filtrate from the anaerobic digestion filtrate storage tank (TK-105) and seawater heated by a seawater heater (E-103) TK-106); A basic solution storage tank (TK-101) capable of storing a basic solution; A raw material gas is fed from the raw material gas compressor (C-101), a raw material is fed from the raw material mixing tank (TK-106) At least one microbial reactor (R-101, 102, 103) for receiving a basic solution from the basic solution storage tank (TK-101) and performing a water gas conversion reaction by microorganisms; A waste medium storage tank (TK-109) for storing a waste medium (WM) generated from the microbial reactor; A separator (TK-110) for separating the waste medium supplied to the waste media storage tank (TK-109) into waste solid (WS) and waste liquid (WL); A waste solid discharge tank (TK-111) for storing a waste solid (WS) supplied from the separator (TK-110) for discharging; The waste liquid (WL) supplied from the separator (TK-110) and the waste liquid (PG) for incineration from the condensate supplied from the condensate separator (TK-107) A discharge tank (TK-108); A water gas cooler (E-101) for cooling a water gas containing a large amount of hydrogen produced in the microbial reactors (R-101, 102, 103); The condensed water gas supplied from the water gas cooler (E-101) is condensed to discharge the water gas mainly composed of hydrogen gas to the upper end, and the condensate to be supplied to the waste liquid discharge tank (TK-108) Separator (TK-107).

본 발명에 따른 장치를 이용하여 수소를 생산하는 방법은 1) 일산화탄소를 포함하는 원료가스(BG)를 원료가스 압축기(C-101)를 사용하여 압축하는 단계; 2) 효모추출물을 효모 추출물 저장 탱크(TK-102)에 보관하는 단계; 3) 바닷물을 공급받아 바닷물 저장 탱크(TK-104)에 저장하는 단계; 4) 혐기성 소화여액을 혐기성 소화여액 저장 탱크(TK-105)에 저장하는 단계; 5) 염기성 용액을 염기성 용액 저장 탱크(TK-101)에 보관하는 단계; 6) 상기 효모추출물 저장 탱크(TK-102)로부터 공급받은 효모추출물과 바닷물 저장 탱크(TK-103)로부터 공급받은 바닷물을 히터(E-102)를 사용하여 가열한 후 효모추출액 탱크(TK-103)에서 함께 혼합하는 단계; 7) 상기의 효모추출액 탱크(TK-103)의 효모추출액 및 상기 혐기성 소화여액 저장 탱크(TK-105)의 혐기성 소화여액을 원료 혼합 탱크(TK-106)에 공급하면서, 상기 바닷물 저장 탱크(TK-103)의 바닷물을 바닷물 히터(E-103)를 사용하여 가열할 후 원료 혼합 탱크(TK-106)에 공급하는 단계; 8) 상기 원료가스 압축기(C-101)로부터 압축된 원료가스를, 상기 원료 혼합 탱크(TK-106)로부터 원료를; 상기 염기성 용액 저장 탱크(TK-101)로부터 염기성 용액을 각각 공급받아 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에 공급하는 단계; 9) 상기 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 미생물을 사용하여 수성가스 전환 반응을 하는 단계; 10) 상기 미생물 반응기로부터 생성되는 폐배지를 배출하여 폐배지 저장 탱크(TK-109)에 저장하는 단계; 11) 상기 폐배지 저장 탱크(TK-109)로 공급받은 폐배지를 분리기(TK-110)에서 폐고체 및 폐액체로 분리하는 단계; 12) 상기 분리기(TK-110)로부터 공급받은 폐고체를 배출하기 위해 폐고체 배출 탱크(TK-111)에 보관하는 단계; 13) 상기 분리기(TK-110)로부터 공급받은 폐액체 및 하기 응축 분리기(TK-107)로부터 공급받은 응축액을 폐액체 배출 탱크(TK-108)에서 상단으로는 소각용 폐가스(PG)를 생산하고 하단으로는 폐액체를 배출하는 단계; 14) 상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 생성되는 수소가 다량 함유된 수성가스를 수성가스 냉각기(E-101)에서 냉각하는 단계; 15) 응축 분리기(TK-107)에서 상기 수성가스 냉각기(E-101)로부터 공급받은 냉각된 수성가스를 응축하여 상단으로는 수소가스가 주성분인 수성가스를 배출하고 하단으로는 응축액을 폐액체 배출 탱크(TK-108)로 공급하는 단계;를 포함하며, 상기 1) 내지 15) 단계가 스타트업 및 셧다운 과정을 제외하고는 동시에 진행된다.The method for producing hydrogen using the apparatus according to the present invention comprises the steps of: 1) compressing a raw material gas (BG) containing carbon monoxide by using a raw material gas compressor (C-101); 2) storing the yeast extract in a yeast extract storage tank (TK-102); 3) storing seawater in a seawater storage tank (TK-104); 4) storing the anaerobic digestion filtrate in the anaerobic digestion filtrate storage tank (TK-105); 5) storing a basic solution in a basic solution storage tank (TK-101); 6) The yeast extract supplied from the yeast extract storage tank (TK-102) and seawater supplied from the seawater storage tank (TK-103) were heated using a heater (E-102) ); 7) While supplying the yeast extract of the yeast extract tank (TK-103) and the anaerobic digestion filtrate of the anaerobic digestion filtrate storage tank (TK-105) to the raw material mixing tank (TK-106) -103) is heated using a seawater heater (E-103) and then supplied to a raw material mixing tank (TK-106); 8) The raw material gas compressed from the raw material gas compressor (C-101) is supplied to the raw material mixing tank (TK-106) Supplying basic solutions from the basic solution storage tank (TK-101) to the at least one microbial reactor (R-101, 102, 103); 9) performing a water gas conversion reaction using microorganisms in the at least one microbial reactor (R-101, 102, 103); 10) discharging a waste medium generated from the microorganism reactor and storing the waste medium in a waste medium storage tank (TK-109); 11) separating the waste medium supplied to the waste media storage tank (TK-109) into waste solid and waste liquid in a separator (TK-110); 12) storing the waste solid in a waste solid waste discharge tank (TK-111) for discharging the waste solid supplied from the separator (TK-110); 13) The waste liquid supplied from the separator TK-110 and the condensate supplied from the condenser separator TK-107 are produced from the waste liquid discharge tank TK-108 to the upper end thereof, Discharging the waste liquid to the lower end; 14) cooling a water gas containing a large amount of hydrogen produced in the microbial reactors (R-101, 102, 103) in a water gas cooler (E-101); 15) Condensate the cooled aqueous gas supplied from the water gas cooler (E-101) in the condenser / separator (TK-107) to discharge the water gas mainly composed of hydrogen gas to the upper end and discharge the condensed liquid to the lower end To the tank (TK-108), wherein the steps 1) to 15) are performed simultaneously except for the start-up and shutdown procedures.

석탄가스화 또는 천연가스 개질 공정을 통해 생산된 합성가스와 제철소 또는 석유화학공정에서 부산물로 발생되는 부생가스 등 일산화탄소가 다량으로 함유된 원료가스(BG)는 원료가스 저장소(도면 미도시)에 저장된다. 상기 원료가스는 원료가스 압축기(C-101)에서 운전압력 10기압 이상 바람직하게는 70 내지 80기압으로 압축되어 미생물을 포함하는 미생물 반응기(R-101, R-102, R-103)로 공급된다. 도 3에서는 미생물 반응기가 3개 표시되어 있으나, 반응기의 개수는 생산하고자 하는 수소의 양과 반응기 세척 등의 공정상의 효율성을 위해서 1개 이상이 설치될 수 있으며, 생물 반응기의 주기적인 세척 및 관리를 위한 사이클링에 적합한 3개가 바람직하다.(BG) containing a large amount of carbon monoxide such as syngas produced through coal gasification or natural gas reforming process and byproduct gas generated as a by-product in a steel mill or petrochemical process is stored in a raw material gas reservoir . The raw material gas is compressed in the raw material gas compressor (C-101) at an operating pressure of 10 atm or more, preferably 70 to 80 atm, and supplied to microbial reactors (R-101, R-102 and R-103) . Although three microbial reactors are shown in FIG. 3, one or more of the reactors may be installed for the purpose of reducing the amount of hydrogen to be produced and the efficiency of the process such as reactor washing. In order to periodically clean and manage the bioreactor Three suitable for cycling are preferred.

미생물 반응기(R-101, R-102, R-103)에는 전체 부피의 50~70%에 해당하는 배지가 채워져 있다. 본 반응에 사용되는 배지는 해수에 혐기성 소화여액(AL), 효모추출물, 비타민 등 미생물의 영양분 역할을 하는 물질이 적정 농도로 포함되어 있다. 연속운전을 위해서는 배지는 추가적으로 공급된다.The microbial reactors (R-101, R-102, R-103) are filled with medium corresponding to 50 to 70% of the total volume. The medium used in this reaction contains appropriate concentrations of substances that act as nutrients for microorganisms such as anaerobic digestion filtrate (AL), yeast extract, and vitamins in seawater. The medium is additionally supplied for continuous operation.

수소생산 미생물을 배양하기 위한 배양액은 80℃ 정도의 저온인 바닷물에서 생존할 수 있는 미생물(써모코커스 온누리누스, Thermococcus onnurineus)을 배양할 수 있는 배양액을 포함한다.The culture solution for culturing the hydrogen producing microorganism includes a culture medium capable of culturing a microorganism (Thermococcus onnurineus) capable of surviving in seawater at a low temperature of about 80 ° C.

바닷물(SW)은 바닷물 저장 탱크(TK-104)에 저장되어 원료 혼합 탱크(TK-106)와 효모추출액 탱크(TK-103)로 공급된다. 혐기성 소화여액(anaerobic liquid, AL)은 혐기성 소화여액 저장 탱크(TK-105)에 저장되며, 효모추출물(YEAST)은 효모추출물 저장 탱크(TK-102)에서 연속적으로 효모추출액 탱크(TK-103)에 공급된다.The seawater (SW) is stored in the seawater storage tank (TK-104) and supplied to the raw material mixing tank (TK-106) and the yeast extract tank (TK-103). The anaerobic digestion filtrate (AL) was stored in the anaerobic digestion filtrate storage tank (TK-105) and the yeast extract (YEAST) was continuously stored in the yeast extract tank (TK-102) .

원료 혼합 탱크(TK-106)로 공급되는 바닷물(SW)은 바닷물 히터(E-102)를 통해 90℃ 로 가열되어 공급된다. 바닷물 저장 탱크(TK-104), 혐기성 소화여액 저장 탱크(TK-105), 효모추출액 탱크(TK-103)에 저장된 배지는 원료 혼합 탱크(TK-106)로 공급되어 균일하게 혼합된 후 3개의 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에 균등하게 분기되어 공급된다. 이때 효묘추출액과 혐기성 소화여액(AL)은 동일한 부피 비율로 공급될 수 있다.The seawater SW supplied to the raw material mixing tank (TK-106) is heated to 90 DEG C through a seawater heater (E-102) and supplied. The medium stored in the seawater storage tank (TK-104), the anaerobic digestion filtrate storage tank (TK-105) and the yeast extract tank (TK-103) was supplied to the raw material mixing tank (TK-106) (R-101, 102, 103). At this time, the yeast extract and the anaerobic digestion filtrate (AL) can be supplied in the same volume ratio.

본 발명에서는 제품 생산에 따른 경제성을 고려한 보조 영양 성분으로 혐기성 소화여액(AL)을 추가하여 사용하였다. 혐기성 소화여액(AL)은 음식물폐기물 등의 다양한 폐기물의 바이오 처리시설 혐기성 소화조에서 발생하는 소화여액을 말한다.In the present invention, an anaerobic digestion filtrate (AL) was added as an auxiliary nutrient component considering the economical efficiency of the product. The anaerobic digestion filtrate (AL) refers to the digested filtrate generated in the anaerobic digester of a bio treatment facility of various wastes such as food wastes.

미생물의 수성가스 전환반응을 위해서는 적절한 pH 조절이 중요하기 때문에 반응기의 pH를 조절할 수 있도록 염기성 용액 저장 탱크(TK-101)에서 염기성 용액이 공급되도록 구성된다. 이때 반응기의 pH는 6.8이 되도록 염기성 용액, 바람직하게는 NaOH 용액이 공급된다. 또한, 공급되는 바닷물의 종류에 따라 산성 용액이 공급될 수 있다.In order to regulate the pH of the reactor, the basic solution is supplied from the basic solution storage tank (TK-101), since proper pH control is important for the water gas shift reaction of microorganisms. At this time, a basic solution, preferably an NaOH solution, is supplied so that the pH of the reactor becomes 6.8. In addition, an acidic solution may be supplied depending on the type of seawater to be supplied.

미생물 반응기(R-101, 102, 103)의 온도는 80℃ 이상 90℃ 미만, 바람직하게는 82℃ 이상 88℃ 미만, 더욱 바람직하게는 83℃로 유지되며, 원료가스 내의 일산화탄소 성분은 미생물에 의해 수소와 이산화탄소로 전환되어 수성가스가 되고, 수성가스 냉각기(E-101), 응축 분리기(TK-107)를 거쳐 배출된다. 미생물 반응기(R-101, 102, 103)의 온도가 80℃ 미만에서는 미생물에 의한 수성가스 전환반응이 원활하게 이루어지지 않고, 90℃ 초과에서는 미생물의 사멸이 발생할 수 있기 때문에 이에 대한 온도 제어가 무엇보다도 중요하다.The temperature of the microorganism reactors (R-101, 102, 103) is maintained at 80 DEG C or more and less than 90 DEG C, preferably 82 DEG C or more and less than 88 DEG C, more preferably 83 DEG C, Converted into hydrogen and carbon dioxide and become a water gas and discharged through a water gas cooler (E-101) and a condenser separator (TK-107). When the temperature of the microorganism reactors (R-101, 102, 103) is less than 80 ° C, the water gas conversion reaction by the microorganisms is not smoothly performed. If the temperature exceeds 90 ° C, microorganisms die, More important than that.

미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 배출되는 폐배지(WM)는 폐배지 저장 탱크(TK-109)에 저장되고, 분리기(TK-110)를 거친 폐고체(WS)는 폐고체 배출 탱크(TK-111)에 저장되고, 폐액체(WL)는 폐액체 배출 탱크(TK-108)에 저장되었다가 별도의 폐수처리 시스템으로 보내진다.The waste medium WM discharged from the microbial reactors R-101, 102 and 103 is stored in the waste medium storage tank TK-109 and the waste solid matter WS through the separator TK- (TK-111), and the waste liquid (WL) is stored in a waste liquid discharge tank (TK-108) and sent to a separate wastewater treatment system.

본 공정에는 생산된 가스의 분리 및 압축 공정은 포함되지 않는다.This process does not include the separation and compression process of the produced gas.

미생물 반응기(R-101, 102, 103)의 유입/유출 가스 조성 및 공정에서 최종 배출되는 가스의 조성을 표 3에 정리하였다. 한편, 본 발명에 따른 수소 제조 반응기에서의 탄소전환율은 96.9%이고, 수소 제조 공정의 에너지 효율은 95.3%이다.The composition of the inlet / outlet gas of the microbial reactors (R-101, 102, 103) and the gas discharged at the end of the process are summarized in Table 3. Meanwhile, the carbon conversion rate in the hydrogen production reactor according to the present invention is 96.9%, and the energy efficiency of the hydrogen production process is 95.3%.

Figure pat00001
Figure pat00001

이와 같이 미생물을 이용하여 합성가스에서 수소를 제조하는 장치 및 방법은 수소생산 미생물을 이용함으로써 열교환기가 필요 없고 별도의 증기나 가열장치가 필요 없어 건설비 및 운영비가 절감되며, 촉매가 필요하지 않으며 1개의 반응기로 충분히 수소를 제조할 수 있는 있다.The apparatus and method for producing hydrogen from syngas using the microorganisms as described above require no heat exchanger by using hydrogen-producing microorganisms, and there is no need for a separate steam or heating device, thereby reducing the construction cost and operating cost. Hydrogen can be sufficiently produced in the reactor.

또한, 종래의 열화학적인 수성가스 전환공정이 발열 반응인 것에 비해, 생물학적 수성가스 전환공정은 약한 흡열 반응으로 소량의 에너지 공급만이 필요하여 운전이 용이한 효과가 있다.In addition, while the conventional thermochemical aqueous gas conversion process is an exothermic reaction, the biological aqueous gas conversion process requires only a small amount of energy supply due to a weak endothermic reaction, so that the operation is easy.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.It will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations can be made in the present invention without departing from the spirit and scope of the invention. It is.

10 : 열화학적 수성가스 전환공정
11 : 가스 예열장치
12 : 증기 공급장치
13 : 고온 수성가스 전환반응기
14 : 제1쿨러
15 : 저온 수성가스 전환반응기
16 : 제2쿨러
100 : 석탄으로부터 수소를 제조하는 전체 공정
110 : 공기 분리장치
120 : 가스화장치
130 : 합성가스 냉각장치
140 : 수성가스 전환장치
150 : 합성가스 정제장치
160 : 이산화탄소 분리장치
170 : 압력스윙 흡착장치
180 : 가스 터빈
181 : 폐열 회수장치
182 : 스팀 터빈
AL : 혐기성 소화여액
BG : 원료가스
C-101 : 원료가스 압축기
E-101 : 수성가스 냉각기,
E-102 : 바닷물 히터
NaOH : 수산화나트륨
PDG : 수성가스
PG : 소각 폐가스
R-101, 102, 103 : 미생물 반응기
SW : 바닷물
TK-101 : 염기성 용액 저장 탱크
TK-102 : 효모추출물 저장 탱크
TK-103 : 효모추출액 탱크
TK-104 : 바닷물 저장 탱크
TK-105 : 혐기성 소화여액 저장 탱크
TK-106 : 원료 혼합 탱크
TK-107 : 응축 분리기
TK-108 : 폐액체 배출 탱크
TK-109 : 폐배지 저장 탱크
TK-110 : 분리기
TK-111 : 폐고체 배출 탱크
WL : 폐액체
WM : 폐배지
WS : 폐고체
YEAST : 효모추출물
10: Thermochemical water gas conversion process
11: Gas preheating device
12: Steam supply
13: High temperature water gas conversion reactor
14: First cooler
15: Low temperature water gas conversion reactor
16: second cooler
100: Overall process for producing hydrogen from coal
110: air separator
120: Gasification device
130: Syngas cooling device
140: Water gas conversion device
150: Synthetic gas purifier
160: Carbon dioxide separator
170: pressure swing adsorption device
180: Gas turbine
181: Waste Heat Recovery Unit
182: Steam turbine
AL: anaerobic digestion filtrate
BG: raw material gas
C-101: Raw material gas compressor
E-101: Water gas cooler,
E-102: Seawater heater
NaOH: Sodium hydroxide
PDG: water gas
PG: Incinerator waste gas
R-101, 102, 103: microbial reactor
SW: seawater
TK-101: Basic solution storage tank
TK-102: Yeast extract storage tank
TK-103: yeast extract tank
TK-104: Seawater storage tank
TK-105: Anaerobic digestion filtrate storage tank
TK-106: Raw material mixing tank
TK-107: Condensate separator
TK-108: Waste liquid discharge tank
TK-109: waste medium storage tank
TK-110: Separator
TK-111: Waste solid waste tank
WL: Waste liquid
WM: Waste paper
WS: Waste solid
YEAST: yeast extract

Claims (11)

효모추출액, 혐기성 소화여액(AL), 바닷물을 혼합하는 원료 혼합 탱크(TK-106);
일산화탄소를 포함하는 원료가스(BG) 및 상기 원료 혼합 탱크(TK-106)로부터 공급받은 원료를 이용하여 미생물에 의한 수성가스 전환반응이 일어나는 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103);
상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)로부터 생성되는 폐배지를 폐고체 및 폐액체로 분리하는 분리기(TK-110);
상기 분리기(TK-110)로부터 공급받은 폐액체 및 하기 응축 분리기(TK-107)로부터 공급받은 하기 응축액으로부터 소각용 폐가스(PG)를 생산하고 하단으로는 폐액체를 배출하는 폐액체 배출 탱크(TK-108);
상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 생성되는 수소가 다량으로 함유된 수성가스를 냉각하는 수성가스 냉각기(E-101);
상기 수성가스 냉각기(E-101)로부터 공급받은 냉각된 수성가스로부터 상단으로는 수소가 주성분인 수성가스(PDG)를 배출하고 하단으로는 응축액을 상기의 폐액체 배출 탱크(TK-108)로 공급하는 응축 분리기(TK-107);를
포함하는 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치.
Yeast extract, anaerobic digestion filtrate (AL), raw water mixing tank (TK-106) for mixing seawater;
(R-101, 102, 103) in which a water gas conversion reaction by a microorganism takes place using a raw gas (BG) containing carbon monoxide and a raw material supplied from the raw material mixing tank (TK-106) ;
A separator (TK-110) for separating the waste medium generated from the microbial reactors (R-101, 102, 103) into waste solid and waste liquid;
A waste liquid discharge tank (TK) for producing an incineration waste gas (PG) from the waste liquid supplied from the separator (TK-110) and the following condensate supplied from the following condenser separator (TK-107) -108);
A water gas cooler (E-101) for cooling a water gas containing a large amount of hydrogen generated in the microbial reactors (R-101, 102, 103);
(PDG) as a main component from the cooled water gas supplied from the water gas cooler (E-101) to the upper end and a condensate to the waste liquid discharge tank (TK-108) A condensation separator (TK-107)
(BG) containing microorganism water gas.
제1항에 있어서,
바닷물을 상기 원료 혼합 탱크(TK-106)에 혼합하기 전에 바닷물을 가열할 수 있는 바닷물 히터(E-102)가 부가된 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치.
The method according to claim 1,
A device for producing a water gas through a microbial water gas conversion reaction from a raw material gas (BG) to which a seawater heater (E-102) capable of heating seawater is added before mixing the seawater into the raw material mixing tank (TK-106) .
제1항에 있어서,
상기 미생물은 써모코커스 온누리누스(Thermococcus onnurineus)인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the microorganism produces a water gas through a microbial water gas conversion reaction from a raw material gas (BG) which is Thermococcus onnurineus.
제1항에 있어서,
상기 미생물 반응기는 미생물 수성가스 전환반응이 일어나는 구역의 온도를 80℃ 이상 90℃ 미만을 유지할 수 있도록 반응기 내부 스팀관 및 상기 스팀관으로부터 연장되는 방열핀을 추가로 구비한 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 장치.
The method according to claim 1,
The microbial reactor may further comprise a microbial water-soluble microbial biomass (BG) from the feed gas (BG) further comprising a steam pipe inside the reactor and a radiating fin extending from the steam pipe to maintain the temperature of the zone where the microbial water- A device for producing a water gas through a gas conversion reaction.
1) 효모추출액, 혐기성 소화여액(AL), 바닷물을 혼합하여 원료를 제조하는 단계;
2) 일산화탄소를 포함하는 원료가스(BG) 및 상기 1) 단계에서 제조한 원료를 미생물에 의한 수성가스 전환반응이 일어나는 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에 공급하는 단계;
3) 상기 적어도 1개 이상의 미생물 반응기(R-101, 102, 103)에서 미생물을 사용하여 수성가스 전환반응을 하는 단계;
4) 상기 미생물 반응기로부터 생성되는 폐배지를 폐고체 및 폐액체로 분리하는 단계;
5) 상기 폐액체 및 하기 수성가스 냉각으로 발생된 응축액으로부터 소각용 폐가스(PG)를 생산하는 단계;
6) 상기 미생물 반응기에서 생성되는 수소가 다량으로 함유된 수성가스를 냉각하여 수소가 주성분인 수성가스(PDG)를 생성하고 응축액을 배출하는 단계;를
포함하며, 상기 1) 내지 6) 단계가 스타트업 및 셧다운 과정을 제외하고는 동시에 진행되는 연속식 공정인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법.
1) preparing a raw material by mixing yeast extract, anaerobic digestion filtrate (AL) and seawater;
2) supplying raw material gas (BG) containing carbon monoxide and the raw material prepared in the step 1) to at least one microbial reactor (R-101, 102, 103) in which a water gas conversion reaction with microorganisms occurs;
3) performing a water gas conversion reaction using microorganisms in the at least one microbial reactor (R-101, 102, 103);
4) separating the waste medium produced from the microbial reactor into a waste solid and a waste liquid;
5) producing an incineration waste gas (PG) from the waste liquid and a condensate generated by cooling the water gas below;
6) cooling a water gas containing a large amount of hydrogen generated in the microbial reactor to generate a water-based gas (PDG) containing hydrogen as a main component and discharging a condensate;
Wherein the steps (1) to (6) are a continuous process which is performed simultaneously with the exception of the start-up and shutdown processes, and wherein the water gas is produced from the feed gas (BG) through a microbial water gas conversion reaction.
제5항에 있어서,
상기 2) 단계에서 일산화탄소를 포함하는 원료가스(BG)는 10기압 이상으로 압축되어 공급되는 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the raw gas (BG) containing carbon monoxide in the step (2) is produced by converting microbial water gas from a raw material gas (BG) compressed and supplied to a pressure of 10 atm or higher.
제6항에 있어서,
상기 압축하는 압력은 70 내지 80기압인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법.
The method according to claim 6,
(BG) at a pressure of 70 to 80 atmospheric pressure to produce a water gas through a microbial water gas conversion reaction.
제5항에 있어서,
상기 3) 단계에서 미생물 반응기 내의 미생물 수성가스 전환반응이 일어나는 구역의 온도는 80℃ 이상 90℃ 미만이며, 미생물은 써모코커스 온누리누스(Thermococcus onnurineus)인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법.
6. The method of claim 5,
In the step 3), the temperature of the zone where the microbial water gas conversion reaction occurs in the microbial reactor is 80 ° C or more and less than 90 ° C, and the microorganism converts the microbial water gas conversion reaction from the feed gas (BG) which is Thermococcus onnurineus ≪ / RTI >
제8항에 있어서,
상기 온도를 유지할 수 있도록 스팀관으로부터 연장되는 방열핀을 구비한 반응기 내부의 스팀관에 스팀을 공급하여 온도를 조절하는 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법.
9. The method of claim 8,
A method for producing a water gas from a raw material gas (BG) which regulates temperature by supplying steam to a steam tube inside a reactor having a radiating fin extending from the steam tube so as to maintain the temperature, through a microbial water gas conversion reaction.
제5항에 있어서,
상기 1) 단계에서 효모추출액과 및 혐기성 소화여액(AL)은 동일한 부피로 혼합되는, 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the yeast extract and the anaerobic digestion filtrate (AL) are mixed at the same volume in the step (1), and the water gas is produced from the feed gas (BG) through the microbial water gas conversion reaction.
제5항에 있어서,
상기 3) 단계에서 상기 미생물 반응기(R-101, 102, 103)의 pH가 6.8인 원료가스(BG)로부터 미생물 수성가스 전환반응을 통해 수성가스를 생산하는 방법.
6. The method of claim 5,
Wherein the microorganism reactors (R-101, 102, 103) have a pH of 6.8 to produce a water gas from the raw material gas (BG) through the microbial water gas conversion reaction in the step 3).
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