KR20220063632A - 암모니아 분해 반응기 - Google Patents

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KR20220063632A
KR20220063632A KR1020200149698A KR20200149698A KR20220063632A KR 20220063632 A KR20220063632 A KR 20220063632A KR 1020200149698 A KR1020200149698 A KR 1020200149698A KR 20200149698 A KR20200149698 A KR 20200149698A KR 20220063632 A KR20220063632 A KR 20220063632A
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조병옥
김영래
정석용
이성훈
박재혁
박새미
박명곤
이승용
김한슬
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(주)원익머트리얼즈
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Abstract

본 발명은, 암모니아 분해 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 암모니아 가스로부터 촉매를 이용하여 수소와 질소로 분해시키는, 특정 구조를 갖는 경제적인 암모니아 분해 반응기에 관한 것이다. 본 발명에 의한 암모니아 분해 반응기에 의하면 경제적으로 암모니아 가스로부터 수소를 생산할 수 있다.

Description

암모니아 분해 반응기{NH3 decomposition reactor}
본 발명은, 암모니아 분해 반응기에 관한 것으로, 구체적으로는 암모니아로부터 촉매를 이용하여 수소와 질소로 분해하는 암모니아 분해 반응기에 관한 것이다.
최근, 기후에 큰 영향을 미치는 지구 온난화의 문제로 인하여 산업에서, 특히 연료산업에서 이산화탄소의 배출을 적게 하는 기술이 요구되고 있으며, 연소 시 이산화탄소 배출이 없는 수소가 연료로서 주목을 받고 있다.
이러한 수소는 탄화수소의 분해, 또는 화학산업, 제강산업 등의 부산물로부터 얻어질 수 있으나 상기 탄화수소의 분해로부터 이산화탄소가 발생되며, 화학산업, 제강산업 등의 부산물인 수소는 공급이 안정적이지 못하다는 한계점이 있다.
위와 같은 문제점을 인식하여 최근 암모니아의 분해반응으로 수소를 얻는 기술이 각광을 받고 있다.
그러나 암모니아의 분해반응은 2NH3 → N2 + 3H2 (ΔH = 46 kJ/mol)로, 상기 반응은 강한 흡열반응이어서 높은 반응열의 공급이 필요하다.
위와 같이 높은 반응열의 공급이 필요한 암모니아 분해반응은 암모니아 분해반응의 효율을 높이기 위하여 촉매를 사용한다. 암모니아 분해 촉매로서 현재 효율이 우수한 것으로 알려진 루테늄계의 귀금속 촉매는 루테늄계 단독 촉매의 싱글 베드 시스템(Single bed system) 형태로 사용하고 있으며, 450 내지 550 ℃ 범위의 퍼니스 온도에서 약 31 내지 98 %의 범위의 암모니아 전환율을 나타낸다.
암모니아의 분해에 의한 암모니아 전환율이 약 98 %인 경우에는 분해 가스 중에 미반응의 암모니아가 포함되어 있다는 것을 의미한다. 그런데, 암모니아를 연료전지의 연료로 사용하는 경우, 미반응의 암모니아가 존재하는 경우에는 연료전지 스택에 암모니아에 의한 손상이 일어나는 폐해가 일어나는 단점이 있다.
따라서 암모니아를 기반으로 하는 연료전지에서는 암모니아 전환율이 99.5 % 이상일 것이 요구되고 있다.
한편, 상기와 같이 암모니아 전환율이 우수한 고가의 루테늄계 귀금속 촉매를 사용하여 99.5 % 이상의 암모니아 전환율을 보이기 위해서는 퍼니스 온도가 550~600 ℃ 이상의 고온일 것이 요구된다.
이러한 고온은 고가의 루테늄 금속이 열화에 의한 소결(Sintering)로 이어져 촉매의 성능이 저하되고, 이에 따른 고비용의 문제점이 발생하게 된다.
이에 따라 암모니아의 높은 전환율과 귀금속 촉매의 안정적인 활성이 동시에 달성되면서 또한, 저비용의 암모니아 분해 반응기 개발이 요구되고 있다.
KR 10-2020-0076404 A
본 발명은, 촉매를 담지하는 퍼니스를 듀얼 베드 시스템(Dual Bed System)으로 설정하여 상기와 같은 문제점인 고온의 열화에 의한 고가의 귀금속 촉매 소결에 따른 상기 귀금속 촉매의 비활성화를 억제하여 촉매 교체주기를 연장시켜 촉매 비용을 절감하면서도 암모니아 전환율이 높은 암모니아 분해 반응기를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 암모니아 분해 반응기는 상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 암모니아 분해 반응기의 촉매를 담지하는 퍼니스를 듀얼 베드 시스템 방식으로 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 암모니아 분해 반응기 퍼니스의 상기 듀얼 베드 시스템은 600 내지 750 ℃의 고온부(High temperature zone) 및 450 내지 600 ℃ 미만의 저온부(Low temperature zone)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 암모니아 분해 반응기 퍼니스의 듀얼 베드 시스템의 상기 ‘고온부’ 및 ‘저온부’에는 각각 ‘저가의 열적 안정성이 우수한 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매’ 및 ‘암모니아 분해효율이 우수한 귀금속 촉매’를 위치시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명 암모니아 분해 반응기는 위와 같은 퍼니스의 듀얼 베드 시스템을 포함하여 고온에 의한 귀금속 촉매의 열화를 방지함으로써, 촉매 교체주기가 연장되면서도, 또한, 암모니아 전환 효율이 향상되는 암모니아 분해 반응기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 암모니아 분해 반응기는, 고온에 의한 귀금속 촉매의 열화 방지에 의한 촉매 교체주기의 연장으로 고비용의 귀금속 촉매 사용량을 절감함으로써 암모니아 전환 공정의 비용 절감뿐만 아니라, 우수한 암모니아 전환 효율을 나타낸다.
또한, 본 발명의 고온부 및 저온부를 포함하는 퍼니스의 암모니아 분해 반응기를 암모니아 분해반응 후 냉각이 필요한 각종 공정 및/또는 연료전지와 같은 장치에 이용하는 경우, 냉각에 필요한 에너지의 감소로 전체 공정 및/또는 장치에서의 열효율(Heat efficiency) 향상되어 전체 공정효율이 높아지는 효과를 가진다.
그리고, 반응 용량과 같은 운전 조건 변동에 대하여도 암모니아 전환율의 변동이 적어 상기 각종 공정 및/또는 장치에서의 능동적인 대처가 가능한 장점이 있다.
도 1은 종래의 암모니아 분해 반응기이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예의 암모니아 분해 반응기 형태이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예의 암모니아 분해 반응기 형태이다.
도 4는 종래 기술의 비교예 1 및 비교예 2, 그리고 본 발명의 듀얼 베드 적용에 따른 실시예에서의 암모니아의 전환율을 나타낸 그래프이다.
도 5는 종래 기술의 비교예 1 및 비교예 2, 그리고 본 발명의 듀얼 베드 적용에 따른 실시예에서의 공정 및/또는 장치의 전체 시스템에서의 열효율을 나타낸 그래프이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다.
다만, 아래는 특정 실시예들을 예시하여 상세히 설명하는 것일 뿐, 본 발명은 다양하게 변경될 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있기 때문에, 예시된 특정 실시예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명은 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 하기의 설명에서는 구체적인 구성요소 등과 같은 많은 특정사항들이 설명되어 있는데, 이는 본 발명에 대하여 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐 이러한 특정 사항들 없이도 본 발명이 실시될 수 있음은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다 할 것이다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 출원에서, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
본 출원에서, '포함하다', '함유하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 구성요소(또는 구성성분) 등이 존재함을 지칭하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 구성요소 등이 존재하지 않거나 부가될 수 없음을 의미하는 것은 아니다.
본 발명은 암모니아 분해 반응기에 관한 것으로, 구체적으로 암모니아 분해 반응기의 촉매를 담지하는 퍼니스 내부에 듀얼 베드 시스템의 촉매 및 구간을 설정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 암모니아 분해 반응기 퍼니스의 상기 듀얼 베드 시스템은 600 내지 750 ℃의 고온부 및 450 내지 600 ℃ 미만의 저온부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명 암모니아 분해 반응기 퍼니스의 상기 듀얼 베드 시스템의 ‘고온부’ 및 ‘저온부’에는 각각 ‘저가의 열적 안정성이 우수한 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매’ 및 ‘암모니아 분해효율이 우수한 귀금속 촉매’를 위치시키는 것을 특징으로 한다.
상기 듀얼 베드 시스템의 상기 저온부는 상기 고온부 다음에 위치하며, 필요에 따라 고온부와 저온부 사이에 중온부가 위치할 수 있다.
그리고 암모니아의 분해를 위하여 공급되는 암모니아는 상기 고온부를 거쳐 저온부로 이동하면서 분해되는 것을 특징으로 한다.
상기 저가의 열적 안정성이 우수한 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매는 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 세슘(Cs), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 란타늄(La), 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
상기 암모니아 분해효율이 우수한 귀금속 촉매는, 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 또는 이들의 혼합물을 포함한다.
상기와 같은 구성요소를 포함하는 본 발명의 암모니아 분해 반응기는 일 실시예에서 도 2와 같은 구성의 퍼니스를 포함할 수 있다.
도 2에서 나타내는 본 발명의 일 실시예의 암모니아 분해 반응기는 고온부의 퍼니스 1 및 저온부의 퍼니스 2를 포함하며, 상기 고온부의 퍼니스 1에는 촉매 충진 부분 이외에 암모니아 가스가 공급되어 예열되는 부분을 더 포함할 수 있다.
상기 암모니아 가스가 공급되어 예열되는 부분은 촉매가 충진되는 고온부의 상부에 위치한다.
또한, 상기 저온부의 퍼니스 2에는 촉매 충진 부분 이외에 암모니아 분해로부터 생성된 수소와 질소의 혼합가스가 배출되는 부분을 더 포함할 수 있으며, 상기 혼합가스의 배출 부분은 상기 저온부 촉매층 다음에 구성된다.
상기 고온부의 퍼니스 1에 충진되는 촉매는 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매이고, 상기 저온부의 퍼니스 2에 충진되는 촉매는 귀금속계 촉매이다.
상기 저온부의 퍼니스 2는 상기 고온부의 퍼니스 1의 후단에 위치한다.
본 발명의 상기 일 실시예의 고온부의 퍼니스 1 및 저온부의 퍼니스 2를 포함하는 암모니아 분해 반응기에서, 암모니아는 퍼니스 1의 고온부 → 퍼니스 2의 저온부를 거치면서 분해되고, 이 분해로 생성된 수소 및 질소는 퍼니스 2의 저온부 후단으로 배출된다.
상기 고온부의 퍼니스 1 및 저온부의 퍼니스 2의 형태는 각 형태의 원기둥; 사각기둥; 삼각기둥;과 원뿔이나, 구 등과 같이 필요에 따라 그 형태를 바꿀 수 있다.
또한, 고온부 및 저온부 퍼니스의 크기 및 수량도 필요에 따라 결정될 수 있으며, 수량은 고온부의 퍼니스 및 저온부의 퍼니스 각각이 1개 이상일 수 있다.
본 발명의 암모니아 분해 반응기는 다른 실시예에서 도 3과 같은 구성을 포함할 수 있다.
도 3에서 나타내는 본 발명의 다른 실시예의 암모니아 분해 반응기는 1개의 퍼니스를 포함하며, 상기 1개의 퍼니스의 상부에 고온부가 위치하고, 그 하부에 저온부가 위치한다. 상기 고온부 상부에는 암모니아가 공급되어 예열되는 부분을 포함할 수 있으며, 저온부의 하부에는 암모니아 분해로부터 생성된 수소와 질소가 배출되는 부분을 포함할 수 있다.
상기 고온부에는 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매가 위치한다. 상기 저온부에는 귀금속계 촉매가 위치한다.
도 3에서 도시한 바와 같이 암모니아는 고온부 → 저온부를 거치면서 분해되며, 이 분해로 생성된 수소 및 질소는 퍼니스의 저온부 하부로 배출된다.
상기 본 발명 암모니아 분해 반응기의 다른 실시예인 퍼니스의 형태는 각 형태의 원기둥; 사각기둥; 삼각기둥;과 원뿔이나, 구 등과 같이 필요에 따라 그 형태를 바꿀 수 있으며, 또한 그 크기 및 수량도 필요에 따라 결정될 수 있다.
상기와 같이 본 발명 암모니아 분해 반응기의 일 실시예 및 다른 실시예의 흡열반응의 암모니아 분해반응에 필요한 열이 공급되는 퍼니스에 있어서, 퍼니스의 고온부 후단에 저온부를 위치시키고, 상기 고온부에는 비교적 열에 강하며 저가의 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매를 위치시키며, 저온부의 퍼니스에는 고가의 귀금속계 촉매를 위치시킨다.
상기와 같은 퍼니스의 고온부 및 저온부의 위치에 따라 암모니아가 상기 퍼니스의 고온부로부터 저온부로 이동하면서 분해 시, 상기 고온부에 위치한 저가의 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매는 비교적 열에 강하여 고온의 열에 의한 소결되는 속도가 늦을 뿐만 아니라, 또한 저가이어서 열화에 의하여 비활성된 상기 촉매를 비교적 저렴하게 교체할 수 있다.
그리고 고가인 귀금속계 촉매는 퍼니스의 저온부에 위치하여 열화에 의한 촉매의 비활성화를 억제함으로써 고가의 귀금속계 촉매의 교체주기를 연장할 수 있게 된다.
또한, 암모니아 개질기로부터 생성되는 수소의 순도를 높이기 위하여는 합성 가스내에 잔류하는 미반응 암모니아의 제거가 필수적이다. 이러한 수소 생성 과정 중 합성가스 내에 잔류하고 있는 미반응 암모니아는 상기 분해 가스인 수소 및 질소의 합성가스 온도를 열교환기에 의하여 상온으로 떨어뜨린 이후에 흡착탑을 통과시켜 제거해야 한다. 상기와 같이 본 발명의 암모니아 분해 반응기에서는 퍼니스의 후단에 저온부를 위치하게 하여 배출되는 합성가스의 온도를 낮출 수 있고, 따라서 상기 고온의 합성가스 온도를 상온으로 냉각시키기 위한 열교환기에 공급되는 전기에너지를 감축할 수 있다는 장점이 있다.
즉, 듀얼 베드 시스템의 경우 싱글 베드 시스템보다 운전 온도가 낮아 배출되는 가스의 온도 역시 낮게 형성이 되며, 적은 ΔT로 인해 열교환기에 필요한 전기에너지의 소모량을 감축할 수 있게 된다.
상기의 장점으로 인하여 본 발명의 암모니아 분해 반응기를 이용하는 공정 및/또는 장치의 공정효율이 상승하는 효과가 나타난다.
이와 같이 본 기술의 적용을 통해 암모니아 가스로부터 수소를 생산하는 경우 종래의 기술보다 경제성을 높일 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예와 같은 암모니아 분해 반응기는, 상기와 같은 퍼니스의 고온부 및 저온부의 위치 구성에 따라 암모니아는 1차로 퍼니스 고온부에 위치한 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매에서 분해되고, 다시 2차로 퍼니스 저온부에 위치한 귀금속계 촉매에서 분해되는 것이다.
이와 같은 본 발명 암모니아 분해 반응기 퍼니스의 고온부 및 저온부에서의 1차 및 2차 암모니아 분해반응으로 동일한 양의 촉매 및 분해온도에서도 암모니아 전환율이 상승되어 암모니아 전환 효율을 극대화할 수 있다.
더 나아가서, 본 발명의 일 실시예 및 다른 실시예와 같은 암모니아 분해 반응기는 상기와 같은 퍼니스의 고온부 및 저온부의 위치 구성으로 암모니아의 분해반응 용량의 변화와 같은 운전 조건 변동에 대하여도 암모니아 전환율의 변동이 적어, 연료전지를 포함하는 전력 생산 장치나, 수소연소장치와 같은 수소를 반응 가스로 사용하는 수소 이용 장치에서의 공정에서 능동적인 대처가 가능하다.
이하, 실시예를 들어 본 발명의 구성 및 효과를 보다 구체적으로 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명에 대한 이해를 돕기 위해 예시의 목적으로만 제공된 것일 뿐 본 발명의 범주 및 범위가 하기 예에 의해 제한되는 것은 아니다.
하기에 본 발명 듀얼 베드 시스템의 적용에 의한 암모니아 분해 전환율, 운전 조건 변화에 따른 암모니아 전환율, 및 공정 및/또는 장치의 전체 시스템에서의 열효율을 보기 위하여 수행한 실험을 기재한다.
하기 실험에서 비교예 1 및 2는 각각 ‘Ni 촉매의 고온부’ 및 ‘Ru 촉매의 저온부’의 싱글 베드 시스템의 퍼니스에 관한 것이고, 실시예는 본 발명의 ‘Ni 촉매의 고온부와 Ru 촉매의 저온부’를 갖는 듀얼 베드 시스템의 퍼니스에 관한 것이다.
또한, 암모니아 공급에 있어서, 상기 비교예 1 및 2의 퍼니스는 싱글 베드 시스템이어서 암모니아가 일 방향으로 공급되며, 상기 본 발명의 실시예인 듀얼 베드 시스템의 퍼니스에서는 암모니아가 상기 고온부에서 저온부로 공급되어 분해반응이 이루어진다.
실시예
본 발명의 실시예에 사용된 암모니아 분해 반응기의 사이즈는 1/2 내지 1인치의 316L 타입의 SUS 관형 반응기를 사용하였다. 열원으로는 전기로 방식의 퍼니스(Electric furnace)를 사용하여, 퍼니스 내부와 반응기 측면부 사이에 위치한 K 타입의 열전대(Thermocouple)를 통해 온도를 제어하였다.
반응기에 충진된 촉매의 양은 2.5 내지 10 g을 충진하여 실험을 수행하였으며, 암모니아의 유량은 417 sccm이다.
암모니아 분해 전환율
반응물인 암모니아는 분해 반응기인 퍼니스에 공급되고, 분해 후 분석기를 통해 잔류 암모니아의 농도를 측정하였다. 위 실험은 동일한 공간속도(Gas hourly space velocity)하에서 평가를 수행하였다
암모니아 분해 전환율의 관련 실험은 다음과 같은 구성으로 수행하였다.
비교예 1 및 2와 실시예 1의 촉매양은 5 g으로 동일하며, 이때 본 발명 실시예 1의 고온부 및 저온부의 촉매양은 각각 2.5 g이었다.
상기 비교예 1 및 2와 실시예 1의 암모니아 전환율의 결과를 아래 표 1 및 그림 1(도 4)에 나타내었다.
비교예 1 비교예 2 실시예 1
순서 싱글 베드 시스템
(Ni 촉매)		 싱글 베드 시스템
(Ru 촉매)		 듀얼 베드
시스템
(고온부 Ni:저온부 Ru)
1-1 전환율(%) 74.0 82.9 89.9
퍼니스 온도(℃) 600 500 고 : 600, 저 : 500
1-2 전환율(%) 97.0 82.9 98.4
퍼니스 온도(℃) 650 500 고 : 650, 저 : 500
1-3 전환율(%) 97.0 98.8 99.7
퍼니스 온도(℃) 650 550 고 : 650, 저 : 550
그림 1
Figure pat00001
상기 표 1은 비교예 1 및 2, 그리고 본 발명의 실시예 1의 퍼니스 온도에 따른 암모니아 전환율의 결과를 나타낸 것이다. 그림 1은 표 1의 결과를 바탕으로 한 그래프이다.
상기 표 1 및 그림 1의 순서 1-1에서 나타내는 바와 같이 동일한 촉매량 및 암모니아의 공급 시, 본 발명의 실시예 1의 퍼니스의 600 ℃ 고온부 및 500 ℃ 저온부를 갖는 듀얼 베드 시스템인 실시예의 암모니아 전환율은 89.9 %이다.
이에 대하여 본 발명 실시예 1의 듀얼 베드 시스템의 고온부와 동일한 온도인 600 ℃의 싱글 베드 시스템 퍼니스의 비교예 1의 전환율 74.0 %이고. 본 발명 실시예 1의 듀얼 베드 시스템의 저온부와 동일한 온도인 500 ℃의 싱글 베드 시스템 퍼니스의 비교예 2의 전환율 82.9 %이다.
이와 같이 본 발명의 실시예 1이 비교예 1 및 2에 비하여 암모니아 전환율이 높은 것으로 나타내고 있다. 이는 본 발명 듀얼 베드 시스템인 실시예 1의 암모니아 전환율이 싱글 베드 시스템인 비교예 1 및 2에 비하여 동일한 온도에서 우수하다는 것을 보여주는 것이다.
표 1 및 그림 1의 순서 1-2, 1-3도 상기 순서 1-1과 마찬가지로 각각의 온도 조건에서 동일하게 본 발명의 실시예 1이 비교예 1 및 2에 비하여 암모니아 전환율이 높아지는 경향성을 보이고 있다.
결국, 이를 통해 암모니아 분해 반응기의 퍼니스에 종래 기술인 비교예 1 및 2의 싱글 베드 시스템을 적용하는 경우보다 본 발명의 듀얼 베드 시스템을 적용하는 경우에 동일한 촉매량 및 온도 영역에서 보다 높은 암모니아 전환율 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
운전 조건 변화에 따른 암모니아 전환율
하기 표 2에는 암모니아 분해반응의 처리용량과 같은 운전 조건 변화에 따른 비교예 1, 2, 실시예 1-1 및 실시예 1-2의 암모니아 전환율 결과를 나타내고 있다. 상기 처리용량은 GHSV(Gas hourly space velocity, Reactant Gas Flow Rate/Reactor Volume)의 크기로 나타낸다.
비교예 1 및 2와 실시예 1-1, 실시예 1-2의 촉매양은 각각의 경우에 2.5 내지 10.0 g이다. 본 발명 실시예 1-1 및 실시예 1-2의 고온부 및 저온부의 촉매양은 동일하다.
퍼니스 온도(℃) 전환율(%)
비교예 1 싱글 베드 시스템
(Ni 촉매)		 650 97.0 → 87.4
비교예 2 싱글 베드 시스템
(Ru 촉매)		 550 98.8 → 76.1
실시예
1-1		 듀얼 베드 시스템
(고온부 Ni : 저온부 Ru)		 고 : 650, 저 : 550 99.7 → 99.5
실시예 1-2 듀얼 베드 시스템
(고온부 Ni : 저온부 Ru)		 고 : 650, 저 : 550 99.5 → 95.7
공간속도(처리용량) 변화에 따른 암모니아 전환율 변화에 관한 상기 표 2의 상기 비교예 1 및 2는 각각의 온도를 650 ℃ 및 550 ℃로 유지하면서 GHSV의 속도를 5,000 ml/g·h에서 10,000 ml/g·h으로 2배 증가시켰을 때의 암모니아 전환율을 나타낸 것이며, 실시예 1-1은 듀얼 베드 시스템의 고온부 및 저온부의 온도를 각각 650 ℃ 및 550 ℃로 유지하면서 GHSV의 속도를 2,500 ml/g·h에서 5,000 ml/g·h으로, 그리고 실시예 1-2는 같은 온도에서 GHSV의 속도를 5,000 ml/g·h에서 10,000 ml/g·h으로 2배 증가시켰을 때의 암모니아 전환율을 나타낸 것이다.
상기 표 2로부터 처리용량, 즉 GHSV가 2배로 늘어남에 따라 암모니아 전환율은 비교예 1에서는 97.0 %에서 87.4 %로 9.6 % 감소하고, 비교예 2에서는 98.8 %에서 76.1 %로 22.7 %의 큰폭으로 감소하는 것으로 나타나고 있는데 비하여, 실시예 1-1에서는 99.7 %에서 99.5 %로, 그리고 실시예 1-2에서는 99.7 %에서 95.7 %로 각각 0.2 % 및 4.0 %의 미미한 암모니아 전환율의 변화를 보여주고 있다.
위 결과는 본 발명 퍼니스의 듀얼 베드 시스템이 종래 기술의 싱글 베드 시스템 보다 암모니아의 처리용량과 같은 운전 조건 변화에 안정적으로 대응할 수 있음을 보여주는 것이다.
따라서 본 발명의 암모니아 반응 분해기를 각종 공정 및/또는 장치에 이용하는 경우, 전체 공정 및/또는 장치를 운전 조건의 변화에도 안정적으로 지속할 수 있다는 장점을 가진다.
공정 및/또는 장치의 전체 시스템에서의 열효율
하기 표 3은 비교예 1, 비교예 2의 싱글 베드 시스템의 퍼니스 및 실시예 1의 더블 베드 시스템의 퍼니스에서 수소를 시간당 300 Nm3/hr를 생산하고 암모니아 전환율 99.7 %를 달성 시, 암모니아 분해반응을 위하여 공급되는 열원인 LPG 공급량 및 분해반응 결과인 수소를 포함하는 합성가스를 이용하기 위한 상온 냉각에 필요한 에너지로부터 암모니아 분해 반응기를 이용하는 전체 공정 및/또는 장치의 전체 시스템에서의 열효율을 비교한 결과이다. 하기 그림 2(도 5)는 하기 표 3의 결과를 바탕으로 한 그래프이다.
퍼니스 온도
(℃)		 전환율
(%)		 LPG
공급량
(kg/h)		 Cooling 에너지
(kcal)		 열효율
(%)
비교예 1
(싱글 베드 시스템) 		750 99.7 20.4 65,404 63.5
비교예 2
(싱글 베드 시스템)		 625 99.7 17.7 51,061 66.5
실시예 1
(듀얼 베드 시스템)		 650/550 99.7 17.9 45,094 67.1
그림 2
Figure pat00002
상기 공정 및/또는 장치의 전체 시스템에서의 열효율은 암모니아 분해 반응기부터 미반응 암모니아가 포함된 합성가스를 냉각하기까지 공정에 투입되는 에너지를 기준으로 계산하였으며, 열효율 계산은 식(1)과 같다.
Figure pat00003
식(1)
비교예 1, 비교예 2 및 실시예 1의 전체 시스템에서의 열효율의 상기 표 3은 비교예 1, 비교예 2, 및 실시예 1의 암모니아의 분해 전환율 99.7 %를 달성을 위해 공급되는 열에너지;와 분해 후 수소 및 질소를 포함하는 합성가스를 상온, 예를 들어 20 내지 30 ℃로 냉각하기 위한 열교환기 운전에 필요한 에너지;로부터 열효율을 계산한 결과를 나타낸 것이다.
상기 표 3으로부터 본 발명 실시예 1의 듀얼 베드 시스템의 효율이 67.1 %로 싱글 베드 시스템의 비교예 1 및 2의 시스템 효율 63.5 % 및 66.5 %에 비하여 가장 높은 것을 확인할 수 있었다.
싱글 베드 시스템의 비교예 2는 암모니아 전환율 99.7 %를 달성을 위해 필요한 LPG의 양이 17.7 kg/h로서 실시예 1의 듀얼 베드 시스템 17.9 kg/h 보다 근소하게 적으나, 비교예 2의 경우 배출되는 가스 온도가 575 ℃로 실시예 1의 듀얼 베드 시스템 배출 가스 온도인 523 ℃보다 50 ℃가량 높다. 따라서 이를 낮추기 위해 들어가는 열교환기에 투입되는 에너지를 고려하면 전체적인 열효율이 감소함을 확인할 수 있었다.
이상 살펴본 바와 같이 본 발명에 의한 암모니아 분해 반응기에 의하면, 암모니아 가스로부터 수소를 경제적으로 생산할 수 있으며, 암모니아의 수소로의 전환율이 향상되는 효과뿐만 아니라, 운전 조건 변화에 대한 높은 안정성, 그리고 암모니아 분해 반응기를 이용하는 시스템의 전제 열효율의 향상도 이룰 수 있어 관련 산업 분야에서 광범위하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본원 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능함은 물론이다. 따라서, 본 발명의 범위는 위의 실시예에 국한해서 해석되어서는 안되며, 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (13)

  1. 암모니아로부터 촉매를 이용하여 수소와 질소로 분해하는 암모니아 분해 반응기에 있어서,
    상기 암모니아 분해 반응기는 상기 촉매를 담지하는 퍼니스를 구비하고,
    상기 퍼니스는 듀얼 베드 시스템 방식이며,
    상기 듀얼 베드 시스템 방식은 고온부 및 저온부를 포함하고,
    상기 저온부는 고온부 다음에 위치하며,
    상기 암모니아 분해를 위한 암모니아 주입이 상기 고온부로부터 저온부의 방향으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼니스의 고온부 온도는 600 내지 750 ℃이고, 상기 퍼니스의 저온부의 온도는 450℃ 내지 600 ℃ 미만인 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 고온부의 온도가 600 내지 650 ℃이고, 저온부의 온도는 500 내지 550 ℃인 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  4. 청구항 1에 있어서
    상기 고온부에 담지되는 촉매는 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매이고, 저온부에 담지되는 촉매는 귀금속계 촉매인 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  5. 청구항 4에 있어서
    상기 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매는 저가의 열적 안정성이 우수한 촉매인 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  6. 청구항 5에 있어서
    상기 저가의 열적 안정성이 우수한 비귀금속계 또는 저귀금속계 촉매는 코발트(Co), 니켈(Ni), 철(Fe), 구리(Cu), 몰리브덴(Mo), 망간(Mn), 세슘(Cs), 텅스텐(W), 마그네슘(Mg), 칼슘(Ca), 바나듐(V), 티타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 세륨(Ce), 란타늄(La), 또는 이들의 혼합물을 포함하는 촉매인 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  7. 청구항 4에 있어서
    상기 귀금속계 촉매는 암모니아 분해효율이 우수한 촉매로서 백금(Pt), 팔라듐(Pd), 루테늄(Ru), 로듐(Rh), 이리듐(Ir), 금(Au), 은(Ag), 또는 이들의 혼합물을 포함하는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼니스는 고온부 퍼니스 및 저온부 퍼니스가 각각 1개 이상의 별도 구성으로 포함되는 퍼니스인 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 퍼니스는 하나의 퍼니스에 고온부 및 저온부를 구비하는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  10. 청구항 8에 있어서,
    상기 고온부의 퍼니스에는 촉매 충진 부분 이외에 암모니아 가스가 공급되어 예열되는 부분을 더 포함할 수 있고, 상기 암모니아 가스가 공급되어 예열되는 부분은 촉매가 충진되는 고온부의 상부에 위치하며, 상기 저온부의 퍼니스에는 촉매 충진 부분 이외에 암모니아 분해로부터 생성된 수소와 질소의 혼합가스가 배출되는 부분을 더 포함할 수 있으며, 상기 혼합가스의 배출 부분은 상기 저온부 촉매층 다음에 구성되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 고온부의 퍼니스에는 촉매 충진 부분 이외에 암모니아 가스가 공급되어 예열되는 부분을 더 포함할 수 있고, 상기 암모니아 가스가 공급되어 예열되는 부분은 촉매가 충진되는 고온부의 상부에 위치하며, 상기 저온부의 퍼니스에는 촉매 충진 부분 이외에 암모니아 분해로부터 생성된 수소와 질소의 혼합가스가 배출되는 부분을 더 포함할 수 있으며, 상기 혼합가스의 배출 부분은 상기 저온부 촉매층 다음에 구성되는 것을 특징으로 하는, 암모니아 분해 반응기
  12. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 암모니아 분해 반응기를 이용하는 것을 특징으로 하는, 전력 생산 장치
  13. 청구항 1 내지 11 중 어느 한 항에 따른 암모니아 분해 반응기를 이용하는 것을 특징으로 하는, 수소 이용 장치

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