KR20220143246A - Lng 개질 시스템 - Google Patents

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KR20220143246A
KR20220143246A KR1020210049514A KR20210049514A KR20220143246A KR 20220143246 A KR20220143246 A KR 20220143246A KR 1020210049514 A KR1020210049514 A KR 1020210049514A KR 20210049514 A KR20210049514 A KR 20210049514A KR 20220143246 A KR20220143246 A KR 20220143246A
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Abstract

본 발명은 LNG 가스와 수증기로 이루어진 원료가스를 촉매반응을 통해 수소로 개질하는 리포머; 상기 리포머에서 생산된 개질가스 중의 수소를 추출하는 수소 PSA; 상기 수소 PSA에서 배출되는 오프가스 중의 이산화탄소를 추출하는 CO2 PSA; LNG 탱크로부터 상기 리포머를 향해 공급되는 LNG에 의해, 상기 CO2 PSA에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체를 냉각시키는 제1열교환기; 상기 제1열교환기를 통과한 이산화탄소를 포함한 유체로부터 이산화탄소를 분리하는 CO2 분리기; 상기 CO2 분리기에서 분리된 이산화탄소를 저장하는 CO2 탱크를 포함하여 구성된다.

Description

LNG 개질 시스템{LNG REFORMER SYSTEM}
본 발명은 LNG(Liquefied Natural Gas)를 개질하여 수소를 생산하는 시스템에 관한 기술이다.
LNG를 개질하여 수소를 생산하는 방식에는 많은 양의 이산화탄소(CO2)가 발생하는 문제가 있어서, 개질 과정에서 발생된 이산화탄소를 적절히 회수하여 가급적 이산화탄소가 대기중으로 방출되지 않도록 하는 기술이 필요하며, 이러한 이산화탄소의 회수는 매우 효율적으로 이루어져야 한다.
상기 발명의 배경이 되는 기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 1020090084844 A
본 발명은 LNG를 개질하여 수소를 생산하는 과정에서 발생되는 이산화탄소의 대기 방출량을 현저히 저감시킬 수 있도록 하며, LNG 개질 시스템의 크기를 감소시킬 수 있고, 리포머의 보다 효율적인 운전이 가능하도록 하며, 순도 높은 액상 이산화탄소를 생산하여 수익성을 극대화할 수 있도록 한 LNG 개질 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명 LNG 개질 시스템은,
LNG 가스와 수증기로 이루어진 원료가스를 촉매반응을 통해 수소로 개질하는 리포머;
상기 리포머에서 생산된 개질가스 중의 수소를 추출하는 수소 PSA;
상기 수소 PSA에서 배출되는 오프가스 중의 이산화탄소를 추출하는 CO2 PSA;
LNG 탱크로부터 상기 리포머를 향해 공급되는 LNG에 의해, 상기 CO2 PSA에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체를 냉각시키는 제1열교환기;
상기 제1열교환기를 통과한 이산화탄소를 포함한 유체로부터 이산화탄소를 분리하는 CO2 분리기;
상기 CO2 분리기에서 분리된 이산화탄소를 저장하는 CO2 탱크;
를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 수소 PSA와 CO2 PSA 사이에는, 상기 오프가스를 소정의 기준압력으로 압축하여, 상기 CO2 PSA로 공급하는 오프가스압축기가 구비될 수 있다.
상기 CO2 PSA는 상기 오프가스로부터 소정의 제1기준순도 이상의 이산화탄소를 추출하도록 구성될 수 있다.
상기 CO2 분리기는 상기 제1기준순도보다 높은 제2기준순도 이상의 이산화탄소를 분리하도록 구성될 수 있다.
상기 CO2 PSA에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체 이외의 잔여물과, 상기 CO2 분리기에서 분리된 이산화탄소 이외의 잔여물을 혼합하여 버너로 공급하는 믹서가 구비될 수 있다.
상기 LNG 탱크로부터 상기 제1열교환기를 향해 LNG를 펌핑하는 LNG 펌프와;
상기 제1열교환기를 통과한 LNG를 가열하여 상기 리포머를 향해 공급하는 가열기;
를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 가열기로부터 공급된 LNG 가스가 수증기와 함께 상기 원료가스를 이룬 후, 상기 리포머로 공급되기 전에, 상기 버너의 배기가스에 의해, 가열될 수 있도록 하는 제2열교환기를 포함하고;
상기 가열기로부터 공급된 LNG 가스는 상기 버너에도 공급될 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 리포머에서 생산된 개질가스 중의 일산화탄소를 수증기와 변성 반응시켜 수소를 생성하도록, 상기 리포머와 수소 PSA 사이에 변성기를 구비할 수 있다.
상기 변성기로부터 상기 수소 PSA로 전달되는 개질가스에 의해, 액상의 물을 가열하는 제4열교환기;
상기 리포머로부터 상기 변성기로 전달되는 개질가스에 의해, 상기 제4열교환기를 통과한 수증기 및 물을 가열하는 제3열교환기;
를 포함하여 구성되고,
상기 제3열교환기를 통과한 수증기 및 물은 상기 LNG 가스와 함께 상기 원료가스를 이루어 상기 제2열교환기로 공급되도록 할 수 있다.
상기 제4열교환기와 상기 수소 PSA 사이에는 통과하는 개질가스를 더욱 냉각시키기 위한 제5열교환기가 구비될 수 있다.
본 발명은 LNG를 개질하여 수소를 생산하는 과정에서 발생되는 이산화탄소의 대기 방출량을 현저히 저감시킬 수 있도록 하며, LNG 개질 시스템의 크기를 감소시킬 수 있고, 리포머의 보다 효율적인 운전이 가능하도록 하며, 순도 높은 액상 이산화탄소를 생산하여 수익성을 극대화할 수 있도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 LNG 개질 시스템의 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 주요 부분에 대한 상세도이다.
본 명세서 또는 출원에 개시되어 있는 본 발명의 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서 또는 출원에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
본 발명에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러가지 형태를 가질 수 있으므로 특정실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명 LNG 개질 시스템의 실시예는, LNG 가스와 수증기로 이루어진 원료가스를 촉매반응을 통해 수소로 개질하는 리포머(1); 상기 리포머(1)에서 생산된 개질가스 중의 수소를 추출하는 수소 PSA(3); 상기 수소 PSA(3)에서 배출되는 오프가스 중의 이산화탄소를 추출하는 CO2 PSA(5); LNG 탱크(7)로부터 상기 리포머(1)를 향해 공급되는 LNG에 의해, 상기 CO2 PSA에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체를 냉각시키는 제1열교환기(9); 상기 제1열교환기(9)를 통과한 이산화탄소를 포함한 유체로부터 이산화탄소를 분리하는 CO2 분리기(11); 상기 CO2 분리기(11)에서 분리된 이산화탄소를 저장하는 CO2 탱크(13)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 수소 PSA(3)가 상기 개질가스로부터 수소를 추출한 잔여물인 상기 오프가스는 H2, CO, CO2 등으로 이루어져 있다.
또한, 상기 수소 PSA(3)와 CO2 PSA(5)에 표현된, PSA(Pressure Swing Adsorption)는 혼합가스로부터 수소 또는 CO2와 같은 목표물질을 고순도로 정제하기 위해, 높은 압력 상태에서 불순물을 흡착시켜 제거하는 공정기술을 의미하는 용어로서, 여기서는 이러한 공정기술을 수행하는 정제장치를 의미한다.
즉, 본 발명은 LNG를 개질하여 수소를 생산하는 리포머(1)에서 필연적으로 발생되는 오프가스 중의 이산화탄소를, 상기 CO2 PSA에서 추출한 후, 상기 추출된 이산화탄소가 포함한 유체를 상기 제1열교환기(9)를 통과시키면서 냉각시켜서, 상기 CO2 분리기(11)를 통해 액상 이산화탄소 상태로 상기 CO2 탱크(13)에 저장하여 대기중으로 방출하기 않도록 하는 것이다.
따라서, 본 발명은 LNG 개질 시스템으로 수소를 생산하는 과정에서 이산화탄소의 대기 방출량을 현저히 저감시킬 수 있도록 하며, 순도 높은 액상 이산화탄소를 생산할 수 있어서, 이를 이용한 별도의 수익을 창출을 기대할 수 있는 것이다.
또한, 상기 제1열교환기(9)는 상기 리포머(1)로 공급되는 LNG에 의해 저절로 냉각 작용이 이루어지도록 함으로써, 이산화탄소의 냉각과 LNG의 가열이 매우 효율적으로 이루어질 수 있다.
상기 수소 PSA(3)와 CO2 PSA 사이에는, 상기 오프가스를 소정의 기준압력으로 압축하여, 상기 CO2 PSA로 공급하는 오프가스압축기(15)가 구비된다.
여기서, 상기 기준압력은 4~10barg(bar gauge) 정도로 설정하여, 본 발명의 LNG 개질 시스템이 10barg 이하로 운전되도록 규정된 수소충전소 내에 설치될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
이와 관련하여, 후술하는 LNG 펌프(21)도 펌핑 압력을 1~10barg로 설정하여 상기한 바와 같은 규정을 만족할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.
상기 CO2 PSA(5)는 상기 오프가스로부터 소정의 제1기준순도 이상의 이산화탄소를 추출하도록 구성된다.
여기서, 상기 제1기준순도는 95% 이상으로 설정될 수 있다.
즉, 상기 CO2 PSA(5)에서 추출되는 이산화탄소는 순도 95% 미만의 경우에는 10barg 이하의 압력에서는 액화가 불가능하므로, 상기한 바와 같은 오프가스압축기(15)의 압축압력을 고려하면, 상기 CO2 PSA는 95% 이상의 순도를 가진 이산화탄소를 추출할 수 있어야 하는 것이다.
또한, 상기 CO2 분리기(11)는 상기 제1기준순도보다 높은 제2기준순도 이상의 이산화탄소를 분리하도록 구성된다.
상기 CO2 PSA(5)가 상기와 같이 오프가스로부터 이산화탄소를 추출하여도, 추출된 유체에는 이산화탄소 이외에 H2, CO 등이 포함되어 있는데, 상기한 바와 같이 추출된 이산화탄소를 이용한 별도의 수익 창출을 위해서는 이산화탄소의 순도가 높은 것이 바람직하므로, 상기 CO2 분리기(11)에서는 상기 제1기준순도 보다 높은 제2기준순도 이상으로 이산화탄소를 분리하여 상기 CO2 탱크(13)로 보낼 수 있도록 하는 것이다.
따라서, 상기 제2기준순도는 99% 이상으로 설정될 수 있을 것이다.
한편, 상기 CO2 PSA(5)에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체 이외의 잔여물과, 상기 CO2 분리기(11)에서 분리된 이산화탄소 이외의 잔여물은 주로 H2, CO 등으로 이루어져 있으므로, 본 발명 실시예는 이들을 믹서(17)로 혼합하여 버너(19)의 연료로 공급하도록 구성되어 있다.
상기 버너(19)는 상기와 같이 믹서(17)로부터 공급되는 가스를 연소하여 발생된 열로 상기 리포머(1)를 가열한다.
이때, 상기 믹서(17)로부터 버너(19)로 공급되는 가스는 상기한 바와 같이 이산화탄소가 제거된 상태이므로, 버너(19)의 보다 원활한 작동이 가능하게 하여, 궁극적으로 리포머(1)의 효율을 증가시키게 된다.
또한, 본 발명 실시예는 상기 LNG 탱크(7)로부터 상기 제1열교환기(9)를 향해 LNG를 펌핑하는 LNG 펌프(21)와, 상기 제1열교환기(9)를 통과한 LNG를 가열하여 상기 리포머(1)를 향해 공급하는 가열기(20)가 구비되어 있다.
물론, 상기 LNG 펌프(21)는 상술한 바와 같이 수소충전소 내에 설치될 수 있도록 펌핑압력이 10barg 이하로 제한되도록 하는 것이 바람직하다.
상기 LNG 탱크(7)의 LNG는 상기 LNG펌프에 의해 상기 리포머(1)를 향해 압송되면서, 상기 제1열교환기(9)를 통과함에 의해, 상기 CO2 PSA에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체를 냉각시키면서 열을 흡수하여 가열되고, 상기 가열기(20)에서 추가로 가열되어 상온에 가까운 온도가 되도록 한다.
본 실시예에서, 상기 가열기(20)로부터 공급된 LNG 가스는 주로 상기 리포머(1)로 공급되고, 상기 믹서(17)로부터 공급받는 가스만으로는 상기 버너(19)의 연료가 부족한 경우, 상기 버너(19)에 연료로 공급되어, 상기 버너(19)의 안정적인 작동을 도모할 수 있도록 한다.
또한, 본 실시예는 상기 가열기(20)로부터 공급된 LNG 가스는 수증기와 함께 상기 원료가스를 이룬 후, 상기 리포머(1)로 공급되기 전에, 상기 버너(19)의 배기가스에 의해, 가열될 수 있도록 제2열교환기(23)를 통과하도록 함으로써 시스템의 열효율을 향상시킬 수 있도록 한다.
상기 버너(19)는 상술한 바와 같이 오프가스에 포함되어 있던 이산화탄소의 대부분을 제거한 상태의 가스를 상기 믹서(17)를 통해 전달받아 연소시키므로, 상기 버너(19)로부터 배출되는 배기가스의 양이, 상기 이산화탄소를 제거하지 않은 상태에 비해 현저히 감소함에 따라, 상대적으로 상기 제2열교환기(23)의 크기를 축소시킬 수 있어서, LNG 개질 시스템의 전체적인 크기 감소에 기여할 수 있다.
한편, 본 실시예는 상기 리포머(1)에서 생산된 개질가스 중의 일산화탄소를 수증기와 변성 반응시켜 수소를 생성하도록, 상기 리포머(1)와 수소 PSA(3) 사이에 변성기(25)를 구비할 수 있다.
또한, 본 실시예는 상기 변성기(25)로부터 상기 수소 PSA(3)로 전달되는 개질가스에 의해, 액상의 물을 가열하는 제4열교환기(27); 상기 리포머(1)로부터 상기 변성기(25)로 전달되는 개질가스에 의해, 상기 제4열교환기(27)를 통과한 수증기 및 물을 가열하는 제3열교환기(29)를 포함하여 구성될 수 있다.
즉, H20 펌프(31)에서 펌핑한 물이 상기 제4열교환기(27)와 제3열교환기(29)를 거치면서 점차 수증기로 변화하도록 하여, 상기 제3열교환기(29)를 통과한 수증기 및 물이 상기 LNG 가스와 함께 상기 원료가스를 이루어 상기 제2열교환기(23)로 공급되도록 함으로써, 상기 물을 수증기로 변화시키는 데에 필요한 열을, 별도의 열원을 사용하지 않고 상기 제2열교환기(23), 제3열교환기(29) 및 제4열교환기(27)에 의해 공급할 수 있도록 하는 것이다.
한편, 상기 제4열교환기(27)와 상기 수소 PSA(3) 사이에는 통과하는 개질가스를 더욱 냉각시키기 위한 제5열교환기(33)가 구비될 수 있다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
1; 리포머
3; 수소 PSA
5; CO2 PSA
7; LNG 탱크
9; 제1열교환기
11; CO2 분리기
13: CO2 탱크
15; 오프가스압축기
17; 믹서
19; 버너
20; 가열기
21; LNG 펌프
23; 제2열교환기
25; 변성기
27; 제4열교환기
29; 제3열교환기
31; H2O 펌프
33; 제5열교환기

Claims (10)

  1. LNG 가스와 수증기로 이루어진 원료가스를 촉매반응을 통해 수소로 개질하는 리포머;
    상기 리포머에서 생산된 개질가스 중의 수소를 추출하는 수소 PSA;
    상기 수소 PSA에서 배출되는 오프가스 중의 이산화탄소를 추출하는 CO2 PSA;
    LNG 탱크로부터 상기 리포머를 향해 공급되는 LNG에 의해, 상기 CO2 PSA에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체를 냉각시키는 제1열교환기;
    상기 제1열교환기를 통과한 이산화탄소를 포함한 유체로부터 이산화탄소를 분리하는 CO2 분리기;
    상기 CO2 분리기에서 분리된 이산화탄소를 저장하는 CO2 탱크;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수소 PSA와 CO2 PSA 사이에는, 상기 오프가스를 소정의 기준압력으로 압축하여, 상기 CO2 PSA로 공급하는 오프가스압축기가 구비된 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 CO2 PSA는 상기 오프가스로부터 소정의 제1기준순도 이상의 이산화탄소를 추출하도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 CO2 분리기는 상기 제1기준순도보다 높은 제2기준순도 이상의 이산화탄소를 분리하도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 CO2 PSA에서 추출된 이산화탄소를 포함한 유체 이외의 잔여물과, 상기 CO2 분리기에서 분리된 이산화탄소 이외의 잔여물을 혼합하여 버너로 공급하는 믹서가 구비된 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 LNG 탱크로부터 상기 제1열교환기를 향해 LNG를 펌핑하는 LNG 펌프와;
    상기 제1열교환기를 통과한 LNG를 가열하여 상기 리포머를 향해 공급하는 가열기;
    를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 가열기로부터 공급된 LNG 가스가 수증기와 함께 상기 원료가스를 이룬 후, 상기 리포머로 공급되기 전에, 상기 버너의 배기가스에 의해, 가열될 수 있도록 하는 제2열교환기를 포함하고;
    상기 가열기로부터 공급된 LNG 가스는 상기 버너에도 공급될 수 있도록 구성된 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 리포머에서 생산된 개질가스 중의 일산화탄소를 수증기와 변성 반응시켜 수소를 생성하도록, 상기 리포머와 수소 PSA 사이에 변성기를 구비한 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 변성기로부터 상기 수소 PSA로 전달되는 개질가스에 의해, 액상의 물을 가열하는 제4열교환기;
    상기 리포머로부터 상기 변성기로 전달되는 개질가스에 의해, 상기 제4열교환기를 통과한 수증기 및 물을 가열하는 제3열교환기;
    를 포함하여 구성되고,
    상기 제3열교환기를 통과한 수증기 및 물은 상기 LNG 가스와 함께 상기 원료가스를 이루어 상기 제2열교환기로 공급되는 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제4열교환기와 상기 수소 PSA 사이에는 통과하는 개질가스를 더욱 냉각시키기 위한 제5열교환기가 구비된 것
    을 특징으로 하는 LNG 개질 시스템.

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