KR20230093234A - Sofc 시스템을 위한 액체 탈황기를 구비한 자체 가열성 개질기 시스템 - Google Patents

Sofc 시스템을 위한 액체 탈황기를 구비한 자체 가열성 개질기 시스템 Download PDF

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사이 피. 카티카네니
중면 배
지우 오
민석 배
동연 김
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사우디 아라비안 오일 컴퍼니
한국과학기술원
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Abstract

본 개시내용의 실시예는 디젤 자체 가열성 개질기; 디젤 자체 가열성 개질기의 상류에 배치되고 디젤 자체 가열성 개질기에 공급되기 전에 디젤 연료로부터 황 화합물을 제거하도록 구성된 액체 탈황기; 액체 탈황기와 연통하고 액체 탈황기에 열을 제공하도록 구성된 연소기; 액체 탈황기 및 연소기와 연통하고 액체 탈황기 및 연소기로의 디젤 연료 공급을 제어하도록 구성되는 조절 밸브; 및 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기를 포함하는 디젤 개질 시스템에 관한 것이다.

Description

SOFC 시스템을 위한 액체 탈황기를 구비한 자체 가열성 개질기 시스템
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 그 전체 내용이 참조에 의해 본 명세서에 통합되는 2020년 6월 22일자 출원된 미국 특허 출원 제16/907,731호에 대해 우선권을 주장한다.
본 개시내용의 실시예는 일반적으로 디젤 개질 시스템에 관한 것이고, 특히 액체 탈황기를 가지는 디젤 개질 시스템에 관한 것이다.
연료 전지는 수소, 메탄올, 에탄올과 같은 탄화수소계 물질에 함유된 수소와 산화제의 화학반응 에너지를 직접적인 전기 에너지로 변환하는 발전 시스템이다. 연료 전지가 수소를 연료로서 사용하기 때문에, 연료 전지를 위한 수소는 메탄, 메탄올, 천연가스, 가솔린, 디젤과 같은 탄화수소계 연료로부터 수증기 개질을 통해 얻어질 수 있다. 연료 개질기는 개질 방법에 따라서 수증기 개질, 부분 산화 개질 및 자체 가열성 개질로 분류될 수 있다.
수증기 개질기는 개질된 가스에서의 높은 수소 함량, 및 메탄과 천연가스와 같은 짧은 탄소 사슬을 가지는 연료에 적합하다. 또한, 수증기 개질 반응은 개질된 가스가 높은 온도를 포함하기 때문에 높은 작동 온도를 가지는 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템에 적합하다. 그러나, 수증기 개질기는 수증기를 발생시키기 위해 많은 양의 열을 소비하며, 그러므로 열 회수는 복잡하고, 반응기의 제조 비용은 이러한 이유로 인해 증가된다.
부분 산화 개질은 메탄 또는 적합한 탄화수소 연료와 같은 공급 연료가 소량의 공기의 존재 하에서 발열적으로 반응하는 공정이다. 그러나, 부분 산화 공정은 연료의 에너지 함량에서의 감소 때문에 가솔린, 디젤, 메탄올 또는 에탄올을 가스화하는데 사용될 수 없다.
디젤은 높은 체적 수소 밀도 및 중량 밀도를 가진다. 이러한 것은 고체 산화물 연료 전지(SOFC) 시스템을 위한 매력적인 옵션인 디젤 개질을 만든다. 따라서, 개선된 시스템 효율을 산출하는, 디젤 연료를 사용하는 디젤 개질기에 대한 지속적인 요구가 있다. 일부 디젤 개질 공정은 디젤 연료 개질의 하류에서 디젤 연료에서의 황 화합물을 제거할 수 있다. 디젤 연료를 탈황하는 작동 온도 범위는 디젤 연료를 개질하는 작동 온도 범위보다 낮을 수 있다. 따라서, 디젤 연료로부터 황 화합물을 제거하기 위해, 개질된 디젤 연료는 탈황되기 전에 냉각될 수 있다. 또한, SOFC 시스템을 위해 이러한 개질되고 탈황된 디젤 연료를 사용하기 위해, 탈황된 디젤 연료는 SOFC 시스템의 작동 온도 범위에 맞도록 가열될 수 있다.
현재 기술된 디젤 개질의 시스템 및 공정은 이러한 냉각 및 가열 단계를 제거할 수 있다. 따라서, 디젤 연료를 개질하기 위한 시스템 및 공정은 고체 산화물 연료 전지를 위해 디젤 연료를 수소 및 메탄으로 효율적이고 비용 효과적으로 변환할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 디젤 개질 시스템은 디젤 자체 가열성 개질기; 디젤 자체 가열성 개질기의 상류에 배치되고 디젤 자체 가열성 개질기에 공급되기 전에 디젤 연료로부터 황 화합물을 제거하도록 구성된 액체 탈황기; 액체 탈황기와 연통하고 액체 탈황기에 열을 제공하도록 구성된 연소기; 액체 탈황기 및 연소기와 연통하고 액체 탈황기 및 연소기로의 디젤 연료 공급을 제어하도록 구성되는 조절 밸브; 및 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기(post-reformer)를 포함할 수 있다.
하나 이상의 실시예에 따르면, 디젤 개질의 방법은 연소기로 제1 디젤 연료 공급물을 도입하는 단계로서, 연소기는 제1 디젤 연료 공급물의 연소로부터 열을 발생시키는, 상기 단계; 열을 액체 탈황기로 전달하는 단계로서, 열은 액체 탈황기의 온도를 작동 온도로 상승시키는, 상기 단계; 액체 탈황기로 제2 디젤 연료 공급물을 도입하는 단계로서, 작동 온도에서 액체 탈황기가 탈황된 디젤 연료를 생성하기 위해 황 화합물을 제거하는, 상기 단계; 탈황된 디젤 연료를 디젤 개질물로 적어도 부분적으로 변환하기 위해 탈황된 디젤 연료뿐만 아니라 공기 및 수증기를 디젤 자체 가열성 개질기로 도입하는 단계; 및 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기로 디젤 개질물을 도입하는 단계를 포함하며, 포스트-개질기는 디젤 개질물에서의 저탄소(C2-C5) 탄화수소를 수소와 메탄으로 선택적으로 분해한다.
설명된 실시예의 추가적인 특징부 및 장점은 다음의 상세한 설명에서 제시될 것이며, 부분적으로 상세한 설명 및 청구범위를 포함하여 설명된 실시예를 실시하는 것에 의해 그 설명으로부터 당업자에게 용이하게 자명하거나 인식될 것이다.
본 개시내용의 특정 실시예에 대한 다음의 상세한 설명은 다음의 도면과 함께 읽을 때 가장 잘 이해될 수 있다:
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 실시예에 따른 디젤 개질 시스템의 개략도이다.
이제 다양한 실시예에 대해 보다 상세하게 참조할 것이며, 그 일부 실시예는 첨부된 도면에 도시되어 있다.
본 개시내용의 실시예는 디젤 개질기 시스템 및 디젤 개질 방법에 관한 것이다. 도 1을 참조하면, 디젤 개질 시스템(100)의 실시예가 도시되어 있다. 디젤 개질 시스템(100)은 디젤 자체 가열성 개질기(110), 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 상류에 배치된 액체 탈황기(130)를 포함한다.
작동시에, 디젤 개질 시스템(1)은 도 1에 도시된 바와 같이 다음의 디젤 개질 방법을 수행할 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 디젤 개질의 방법은 제1 디젤 연료 공급물(14)을 연소기(150)로 도입하는 단계를 포함할 수 있으며, 연소기(150)는 제1 디젤 연료 공급물(14)의 연소로부터 열(52)을 생성한다. 액체 탈황기(130)에 전달된 열은 액체 탈황기(130)의 온도를 작동 온도로 상승시킨다. 제2 디젤 연료 공급물(16)이 그런 다음 액체 탈황기(130)에 공급된다. 작동 온도에서, 액체 탈황기(130)는 황 화합물을 제거하여 탈황된 디젤 연료(64)를 생산한다. 다시 도 1을 참조하면, 탈황된 디젤 연료(64) 및 공기 공급물(42A) 및 수증기(88)는 디젤 자체 가열성 개질기(110)로 전달되며, 여기서 탈황된 디젤 연료(64)는 적어도 부분적으로 디젤 개질물(72)로 변환된다. 다음으로, 디젤 개질물(72)은 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 하류에 배치된 포스트-개질기(120)로 전달되며, 포스트-개질기(120)는 디젤 개질물에서의 저탄소(C2-C5) 탄화수소를 수소와 메탄으로 선택적으로 분해한다.
다시 도 1을 참조하면, 디젤 개질 시스템(1)은 디젤 개질 시스템(1)에서 사용되는 디젤 연료(12)를 포함하는 디젤 연료 탱크(10)를 포함할 수 있다. 디젤 연료(12)는 펌프(160)를 사용하여 디젤 연료 탱크(10)로부터 펌핑될 수 있다. 도 1의 실시예에서, 디젤 연료(12)는 연소기(150)에 공급되는 제1 디젤 연료 공급물(14) 및 액체 탈황기(130)에 공급되는 제2 디젤 연료 공급물(16)로 디젤 연료(12)를 분할하는 조절 밸브(170)에 공급될 수 있다. 도 1의 실시예에 도시된 바와 같이 3-방향 밸브일 수 있는 조절 밸브(170)는 액체 탈황기(130)로 공급되는 디젤 연료의 양과 연소기(150)로 공급되는 디젤 연료의 양을 조절하며, 이는 조절 밸브(170)가 연소기(150)에 디젤 연료를 공급하는 동시에 액체 탈황기(130)를 가열하는 것을 가능하게 한다. 연소기(150) 및 액체 탈황기(130)에 각각 공급되는 제1 및 제2 디젤 연료 공급물의 비율을 제어하는 조절 밸브(170)와 함께 사용하기 위한 다양한 알고리즘 및 제어 방법론이 고려된다.
또한, 디젤 개질 시스템(1)은 또한 연소기(150)를 위한 공기 공급원(40B)을 포함한다. 공기 공급원으로부터의 공기 공급물(42B)은 송풍기(180)에 의해 연소기(150)로 전달될 수 있다. 한 실시예에서, 연소기(150)는 연소기(150)의 입구에 있는 분무기 노즐(151)을 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 제1 디젤 연료 공급물(14) 및 공기 공급물(42B)은 분무기 노즐(151)로 전달되고, 그런 다음 분무된 디젤 연료와 공기는 분무기 노즐(151)을 통해 연소기(150) 내로 분사된다. 제1 디젤 연료 공급물(14)에서 연소기(150)로 공급되는 디젤 연료의 양은 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 작동에 따라 달라질 수 있다. 한 실시예에서, 연소기(150)로 공급되는 모든 제1 디젤 연료 공급물(14)은 액체 탈황기(130)의 온도가 급격하게 상승하도록 시동시에 완전히 연소될 수 있다. 액체 탈황기(130)가 적은 양의 디젤로도 정상 상태에서 가열될 수 있음에 따라서, 보다 적은 디젤 연료의 양이 연소기(150)를 위해 필요하기 때문에, 제1 디젤 연료 공급물(14)은 제2 디젤 연료 공급물(16)에 비해 더 적은 체적을 가질 수 있다.
다양한 구조적 실시예가 연소기(150)에 대해 고려된다. 한 실시예에서, 연소기(150)는 디젤 연소 촉매를 포함하는 디젤 연소기이다. 다양한 디젤 연소 촉매, 예를 들어 철, 세리아 또는 백금 중 하나 이상을 포함하는 금속 또는 유기 금속 촉매가 적합하고 당업자에게 친숙한 것으로 간주될 것이다.
연소기(150)는 650℃ 내지 850℃, 또는 650℃ 내지 800℃, 또는 650℃ 내지 750℃, 또는 650℃ 내지 700℃, 또는 700℃ 내지 850℃, 또는 700℃ 내지 800℃, 또는 700℃ 내지 750℃, 또는 750℃ 내지 850℃, 또는 750℃ 내지 800℃, 또는 800℃ 내지 850℃의 작동 온도 범위를 가질 수 있다. 연소기(150)는 연소 촉매에 대한 손상을 방지하기 위해 이러한 온도 범위에서 작동될 수 있다. 한 실시예에서, 연소기(150)의 이러한 작동 온도 범위는 추가 공기를 공급하는 것에 의해 제어될 수 있다.
전술한 바와 같이, 액체 탈황기(130)는 제2 디젤 연료 공급물(16)에 함유된 황 성분을 제거한다. 액체 탈황기(130)를 위한 다양한 구조가 고려된다. 예를 들어, 액체 탈황기(130)는 유체가 통과하여 탈황 촉매가 함침되는 다공성 지지체(유체 이송 방향을 따라서 관통 기공을 가지는 지지체)로 형성될 수 있다. 다양한 촉매가 탈황 촉매에 적합하다고 고려된다. 하나 이상의 실시예에서, 액체 탈황기(130)를 위한 탈황 촉매는 코발트/몰리브덴(CoMo) 또는 니켈/몰리브덴(NiMo)과 같은 다성분계 촉매를 포함할 수 있다. 액체 탈황기(130)가 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 상류에 있음에 따라서, 촉매는 종종 산화아연(ZnO)을 사용할 수 있는 하류 탈황기에서 일반적으로 사용되는 촉매와 다르다. 본 실시예가 하류 탈황기를 묘사하지 않지만, 추가 하류 탈황기가 포함될 수 있다는 것이 고려된다.
작동 관점에서, 액체 탈황기(130)는 200℃ 내지 400℃, 또는 250℃ 내지 400℃, 또는 300℃ 내지 400℃, 또는 200℃ 내지 350℃, 또는 250℃ 내지 350℃의 작동 온도 범위를 가질 수 있다. 액체 탈황기(130)의 온도는 연소기(150)에 의해 발생된 열(52)에 의해 상승되어 유지될 수 있다.
액체 탈황기(130)의 압력은 5 bar 이상의 압력일 수 있다. 액체 탈황기(130)의 압력은 5 bar 내지 100 bar, 또는 5 bar 내지 95 bar, 또는 5 bar 내지 90 bar, 또는 10 bar 내지 100 bar, 또는 10 bar 내지 95 bar, 또는 10 bar 내지 90 bar의 압력일 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 압력은 액체 탈황기(130)에 근접한 하나 이상의 밸브(141, 142)에 의해 유지될 수 있다. 본 실시예는 액체 탈황기(130)의 상류에 위치된 전방 밸브(141), 및 액체 탈황기(130)의 하류에 위치된 후방 밸브(142)를 포함할 수 있다. 전방 밸브(141)는 후방 밸브(142)가 폐쇄되어 액체 탈황기(130)에서 필요한 압력을 증가시키는 동안 상기 압력으로의 제2 디젤 연료 공급물(16)의 분사를 제어한다. 이어서, 탈황된 디젤 연료(64)는 후방 밸브가 적어도 부분적으로 개방되는 동안 일정한 압력으로 배출된다. 한 실시예에서, 탈황된 디젤 연료(64)의 압력은 디젤 연료의 분무화를 돕기 위해 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 상류에 배치된 분무기 노즐(111)에 작용할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 디젤 자체 가열성 개질기(110)는 공기 공급물(42A), 및 적어도 하나의 수증기 공급물(88)을 포함한다. 공기 공급물(42A)은 공기 공급원(40A)과 연통하는 공기 송풍기(156)에 의해 전달된다. 수증기 공급물은 물 저장소, 물 탱크 등일 수 있는 물 공급원(30)으로부터 생산된다. 물(82)은 물 공급원(30)으로부터 펌프(193)를 통해 끌어당겨지고, 그런 다음 분배 밸브(194)로 전달될 수 있다. 도시된 바와 같이, 도 1의 실시예에서 도시된 바와 같이 3-방향 밸브일 수 있는 분배 밸브(194)는 제1 물 공급물(84)을 제1 열교환기(191)로 공급하고, 제1 물 공급물(84)은 연소기(150)로부터 배출되는 고온 가스인 연소 부산물(54)과의 열교환을 통해 제1 수증기 공급물(88)로 변환된다. 제1 열교환기(191)로부터 배출된 고온 가스는 환기 스트림(96)으로서 대기로 배출될 수 있다. 또한, 분배 밸브(194)는 또한 제2 물 공급물(86)을 제2 열교환기(192)로 지향시킬 수 있으며, 제2 물 공급물(86)은 포스트-개질기(120)로부터 배출되는 고온 가스인 포스트-개질기 부산물(74)과의 열교환을 통해 제2 수증기 공급물(88)로 변환된다. 제2 열교환기(192)로부터 배출된 고온 개질 가스 스트림(92)은 고체 산화물 연료 전지 스택(도시되지 않음)에 분사될 수 있다.
다양한 열교환기 유형이 고려되지만, 제1 열교환기(191) 및 제2 열교환기(192)는 본 실시예에서 쉘 및 튜브 열교환기이다. 제1 열교환기(191)를 통해 디젤 자체 가열성 개질기(110)로 공급되는 수증기의 양과 제2 열교환기(192)를 통해 디젤 자체 가열성 개질기(110)로 공급되는 수증기의 양은 시스템의 작동 조건에 따라 달라질 수 있다. 이전에 논의된 조절 밸브(170)와 같이, 디젤 자체 가열성 개질기(110)에 공급되는 제1 수증기 공급물(88)과 제2 수증기 공급물(94)의 비율을 제어하는 분배 밸브(194)와 함께 사용하기 위한 다양한 알고리즘 및 제어 방법론이 고려된다.
작동 관점에서, 디젤 자체 가열성 개질기(110)는 탈황된 디젤 연료(64)를 수소가 풍부한 연료인 디젤 개질물(72)로 변환하는 개질 반응을 수행한다. 디젤 개질물(72)은 합성가스(즉, 수소 및 일산화탄소)를 포함한다. 디젤 자체 가열성 개질기(110)에 의해 수행되는 개질 반응은 다음과 같다:
CnHm + aO2 + bH2O → cH2 + dCO + eCO2 + fH2O (각각 n, m, a, b, c, d, e 및 f는 유리수일 수 있으며, 반응 조건을 변경하는 것에 의해 제어될 수 있음)
전술한 바와 같이, 분무기 노즐(111)은 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 입구 부근에 배치된다. 탈황된 디젤 연료(64)와 공기 공급물(42A)은 분무기 노즐(111)을 통해 디젤 자체 가열성 개질기(110)로 유입되고, 결과적으로 디젤 연료는 분무된다. 또한, 탈황된 디젤 연료(64)는 보다 용이하게 분무하기 위해 충분한 압력으로 분무기 노즐(111) 내로 흐른다.
디젤 자체 가열성 개질기(110)는 고압 및 고온 작동 조건을 이용한다. 예를 들어, 디젤 자체 가열성 개질기(110)는 적어도 700℃, 또는 750 내지 1100℃, 또는 750 내지 850℃의 작동 온도를 가질 수 있다. 또한, 디젤 자체 가열성 개질기(110)는 대기압에서 적어도 0.5 bar, 또는 0.5 내지 1.5 bar, 또는 1.0 내지 1.5 bar, 또는 약 1 bar의 작동 압력을 가질 수 있다.
디젤 자체 가열성 개질기(110)에 대한 다양한 구조적 실시예가 고려된다. 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 내부 및 외부 격벽은 고온(약 800℃)에서 높은 내구성 및 우수한 열전달 효율을 가지는 임의의 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 내부 및 외부 격벽은 실질적으로 스테인리스강으로 형성될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 디젤 자체 가열성 개질기는 유체가 통과하고 촉매가 함침되는 다공성 지지체(유체 이송 방향을 따라서 관통 기공을 가지는 지지체를 포함)를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 촉매는 귀금속 촉매를 포함한다. 공급된 디젤 연료, 물 및 공기 중에서 자체 가열성 개질 반응을 수행하기에 적합한 다양한 촉매가 본 명세서에서 고려된다. 귀금속 촉매는 Pt, Rh, Ru 및 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 촉매는 지지되거나 지지되지 않을 수 있다. 지지되는 촉매 실시예에서, 촉매 지지체는 알루미나, 실리카, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 다양한 양의 귀금속 촉매가 적합한 것으로 고려되지만, 귀금속 촉매의 양은 개질될 탄화수소계 연료의 종류, 공급되는 연료의 양 등에 따라서 제어될 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 디젤 개질물(72)은 디젤 자체 가열성 개질기(110)의 하류에 배치된 포스트-개질기(120)에 도입된다. 여기에서, 포스트-개질기(120)는 수소 및 메탄을 포함하는 포스트-개질기 부산물(74)로, 디젤 개질물(72)에서의 저탄소(C2-C5) 탄화수소를 분해한다. 구체적으로, 포스트-개질 촉매에 의해, 디젤 개질물(72)에서의 저탄소 탄화수소 물질(C2-C5)은 디젤 개질물(72)에 함유된 수소 및 증기와 반응하여 수소 및 메탄으로 선택적으로 분해된다.
포스트-개질기(120)의 입구는 고온 및 고압 작동 조건을 이용한다. 예를 들어, 포스트-개질기(120)의 입구는 650℃ 내지 850℃, 또는 650℃ 내지 800℃, 또는 700℃ 내지 850℃, 또는 700℃ 내지 800℃의 작동 온도 범위 또는 약 750℃의 작동 온도를 가질 수 있다. 또한, 포스트-개질기(120)의 입구는 대기압에서 적어도 0.5 bar, 또는 0.5 내지 1.5 bar, 또는 1.0 내지 1.5 bar, 또는 약 1 bar의 작동 압력을 가질 수 있다.
포스트-개질기(120)의 출구는 고온 및 고압 작동 조건을 이용한다. 예를 들어, 포스트-개질기(120)의 출구는 450℃ 내지 800℃, 또는 450℃ 내지 750℃, 또는 450℃ 내지 700℃, 또는 450℃ 내지 650℃, 또는 450℃ 내지 600℃, 또는 500℃ 내지 800℃, 또는 500℃ 내지 750℃, 또는 500℃ 내지 700℃, 또는 500℃ 내지 650℃, 또는 500℃ 내지 600℃, 또는 550℃ 내지 800℃, 또는 550℃ 내지 750℃, 또는 550℃ 내지 700℃, 또는 550℃ 내지 650℃, 또는 550℃ 내지 600℃의 작동 온도 범위를 가질 수 있다. 또한, 포스트-개질기(120)의 출구는 대기압에서 적어도 0.5 bar, 또는 0.5 내지 1.5 bar, 또는 1.0 내지 1.5 bar, 또는 약 1 bar의 작동 압력을 가질 수 있다.
포스트-개질기(120)로부터 배출되는 고온 개질 가스인 포스트-개질기 부산물(74)은 제2 열교환기(192)를 위한 열 공급원으로서 사용되며, 제2 열교환기(192)의 배출 부산물은 그런 다음 고체 산화물 연료 전지 스택(도시되지 않음)에 공급될 수 있다.
하나 이상의 실시예에서, 포스트-개질기(120)는 전이 금속, 귀금속 또는 이들의 혼합물로 형성된 포스트-개질 촉매를 포함한다. 하나 이상의 실시예에서, 포스트-개질 촉매의 전이 금속은 Ni, Mg 및 이들의 혼합물을 포함하고, 이들의 귀금속은 Pt, Rh, Pd, Ru 및 이들의 혼합물을 포함한다. 디젤 자체 가열성 개질 촉매와 마찬가지로, 포스트-개질 촉매는 지지되거나 지지되지 않을 수 있다. 지지된 촉매 실시예에서, 촉매 지지체는 알루미나, 실리카, 세리아, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 디젤 자체 가열성 개질기(110)와 마찬가지로, 포스트-개질기(120)는 유체가 통과하고 포스트-개질 촉매가 함침되는 다공성 지지체(유체 이송 방향을 따라서 관통공을 가지는 지지체를 포함)로 형성될 수 있다.
본 개시내용의 디젤 개질의 시스템 및 방법은 디젤 연료를 개질하기 전에 디젤 연료를 가열할 수 있다. 디젤 개질의 시스템 및 방법은 디젤 연료의 추가 가열, 냉각 또는 둘 모두를 요구하지 않을 수 있다. 따라서, 디젤 연료를 개질하기 위한 시스템 및 공정은 디젤 연료를 SOFC를 위한 수소 및 메탄으로 효율적이고 비용 효과적으로 전환하는 것을 가능하게 한다.
예
하기 실시예는 본 개시내용의 하나 이상의 추가 특징부를 예시한다. 이들 예는 어떠한 방식으로든 본 개시내용의 범위 또는 첨부된 청구범위를 제한하도록 의도되지 않음을 이해해야 한다.
예 1
예 1은 도 1에 도시된 시스템(1)의 구성 및 특성을 가지는 파일럿 플랜트에서 수행되었다. 예 1에서, 대한민국 환경부에서 정한 연료 품질 기준에 적합한 디젤 연료는 8.4 mL/min의 유속으로 액체 탈황기로 도입되었다. 액체 탈황기에서, 디젤 연료의 온도는 액체 상태에서 25℃(액체 탈황기의 입구)로부터 250℃(액체 탈황기의 출구)로 변화하였다. 디젤 연료를 가열하기 위해, 90 W의 에너지가 SOFC에서 1 kW 발전(9% 에너지 손실)을 위해 필요하였다. 액체 탈황기는 탈황된 디젤 연료를 생산하기 위해 디젤 연료로부터 황 화합물(10 ppm(액체 탈황기 입구)에서 10 ppb(액체 탈황기의 출구))을 제거하였다. 황 화합물의 함량은 Gastec Co., Ltd에 의해 제조된 가스 검출 튜브를 사용하여 측정되었다. 탈황된 디젤 연료는 탈황된 디젤 연료를 디젤 개질물로 변환하기 위해 공기와 수증기와 함께 디젤 자체 발열성 개질기로 도입되었다. 탈황된 디젤 연료의 온도는 850℃(디젤 자체 가열성 개질기의 입구)에서 780℃(디젤 자체 가열성 개질기의 출구)로 변화하였다. 디젤 개질물의 황 화합물의 함량은 디젤 자체 가열성 개질기의 출구에서 10 ppb 미만이었다. 디젤 개질물은 디젤 자체 가열성 개질기에서 배출되어 포스트-개질기로 도입되었다. 포스트-개질기는 디젤 개질물에서의 C2-C5 탄화수소를 표 1에 표시된 바와 같이 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄으로 분해하였다. 디젤 개질물의 온도는 780℃(포스트-개질기의 입구)에서 670℃(포스트-개질기의 출구)로 변화하였다. 냉각 또는 가열 공정 없이, 수소와 메탄은 직접 SOFC 시스템에 도입되었다.
조성(Wt.%) - H2O, N2 없음 디젤 개질물
수소 59.4 wt.%
일산화탄소 12.1 wt.%
이산화탄소 28.4 wt.%
메탄 잔부 (<0.1 wt.%)
비교예 2
비교예 2는 자체 가열성 개질기, 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기, 및 포스트-개질기의 하류에 배치된 탈황기를 가지는 파일럿 플랜트에서 수행되었다. 자체 가열성 개질기, 포스트-개질기, 및 탈황기는 단일 반응기 유닛에 통합되었다. 비교예 2에서, 대한민국 환경부에서 정한 연료 품질 기준에 적합한 디젤 연료는 디젤 연료를 디젤 개질물로 변환하기 위해 공기와 수증기와 함께 자체 가열성 개질기로 도입되었다. 유속은 자체 가열성 개질기의 입구에서 측정되었다. 디젤 연료의 온도는 850℃(자체 가열성 개질기의 입구)에서 780℃(자체 가열성 개질기의 출구)로 변화하였다. 비교예 2에서, 각각의 스트림의 조성은 표 2에서 표시된다. 디젤 개질물은 포스트-개질기로 도입되어 포스트 개질 디젤을 생산하였다. 디젤 개질물의 온도는 780℃(포스트-개질기 입구)에서 670℃(포스트-개질기 출구)로 변화하였다. 포스트 개질 디젤은 포스트-개질기 밖으로 보내지고 물로 냉각되었다(670℃에서 450℃로). 포스트 개질 디젤을 냉각하기 위해, 274 W의 에너지가 SOFC에서 1 kW의 발전(27.4% 에너지 손실)을 위해 필요했다. 냉각된 포스트 개질 디젤은 탈황기에 도입되어, 냉각된 포스트 개질 디젤로부터 황 화합물을 제거하였다(10 ppm에서 10 ppb 미만으로). 냉각된 포스트 개질 디젤의 온도는 450℃(탈황기의 입구)에서 300℃(탈황기의 출구)로 변화하였다. 황 화합물을 제거한 후, 탈황된 포스트 개질 디젤은 SOFC 시스템의 작동 온도 범위(500-700℃)에 맞도록 가열되어, SOFC 시스템에 도입되었다.
조성(Wt.%) - H2O, N2 없음 스트림
디젤 연료 디젤 개질물 포스트 개질 디젤 냉각된 포스트 개질 디젤 탈황된 포스트 개질 디젤
황 화합물 10 ppm 10 ppm 10 ppm 10 ppm < 10 ppb
수소 - 58.2 59.4% 59.4% 59.4%
일산화탄소 - 15.5% 12.1% 12.1% 12.1%
이산화탄소 - 26.2% 28.4% 28.4% 28.4%
메탄 - Trace (<0.1%) Trace (<0.1%) Trace (<0.1%) Trace (<0.1%)
예 1 및 비교예 2의 비교
예 1의 공정을 비교예 2의 공정과 비교하면, 액체 탈황기를 이용하고 포스트-개질 냉각 및 가열 단계를 피하는 예 1의 공정은 디젤 연료를 수소 및 메탄으로의 보다 효율적인 변환을 가능하게 한다(예 1의 경우 9% 에너지 손실 대 비교예 2의 경우 27.4% 에너지 손실). 또한, 예 1에서, 포스트-개질기 출구에서의 수소와 메탄의 온도(670℃)가 SOFC 시스템의 작동 온도 범위(500~700℃)에 맞기 때문에, 어떠한 냉각이나 가열 공정도 없이, 수소와 메탄은 SOFC 시스템으로 직접 도입되었다. 대조적으로, 비교예 2에서, 탈황기로 도입되기 전에, 포스트 개질 디젤은 물로 냉각되었다. 또한, SOFC 시스템으로 도입되기 전에, 탈황된 포스트 개질 디젤은 SOFC 시스템의 작동 온도 범위(500~700℃)에 맞게 가열되었다.
본 개시내용의 제1 양태는 디젤 개질 시스템에 관한 것으로, 디젤 개질 시스템은, 디젤 자체 가열성 개질기; 디젤 자체 가열성 개질기의 상류에 배치되고 디젤 자체 가열성 개질기로의 공급 전에 디젤 연료로부터 황 화합물을 제거하도록 구성된 액체 탈황기; 액체 탈황기와 연통하고 액체 탈황기에 열을 제공하도록 구성된 연소기; 액체 탈황기 및 연소기와 연통하고 액체 탈황기 및 연소기로의 디젤 연료 공급을 제어하도록 구성되는 조절 밸브; 및 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기를 포함한다.
본 개시내용의 제2 양태는 제1 양태를 포함할 수 있고, 연소기는 디젤 연소 촉매를 포함하는 디젤 연소기이다.
본 개시내용의 제3 양태는 제1 또는 제2 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 연소기와 유체 연통하는 제1 열교환기를 추가로 포함하며, 제1 열교환기는 연소기로부터 배출되는 고온 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하도록 구성된다.
본 개시내용의 제4 양태는 제1 내지 제3 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 연소기와 유체 연통하는 제2 열교환기를 추가로 포함하고, 제2 열교환기는 디젤 자체 가열성 개질기로부터 배출되는 고온 개질 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하도록 구성된다.
본 개시내용의 제5 양태는 제1 내지 제4 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 물을 제1 열교환기 및 제2 열교환기로 분배 및 공급하기 위한 분배 밸브를 추가로 포함한다.
본 개시내용의 제6 양태는 제1 내지 제5 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 포스트-개질기는 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된다.
본 개시내용의 제7 양태는 제1 내지 제6 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 포스트-개질기는 귀금속 촉매, 전이 금속 촉매 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 개시내용의 제8 양태는 제1 내지 제7 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 디젤 자체 가열성 개질기는 귀금속 촉매를 포함한다.
본 개시내용의 제9 양태는 디젤 개질의 방법에 관한 것으로, 방법은, 제1 디젤 연료 공급물을 연소기로 도입하는 단계로서, 연소기는 제1 디젤 연료 공급물의 연소로부터 열을 발생시키는, 상기 단계; 열을 액체 탈황기로 전달하는 단계로서, 열은 액체 탈황기의 온도를 작동 온도로 상승시키는, 상기 단계; 액체 탈황기에 제2 디젤 연료 공급물을 도입하는 단계로서, 작동 온도에서 액체 탈황기가 탈황된 디젤 연료를 생성하기 위해 황 화합물을 제거하는, 상기 단계; 탈황된 디젤 연료를 디젤 개질물로 적어도 부분적으로 변환하기 위해 탈황된 디젤 연료뿐만 아니라 공기 및 수증기를 디젤 자체 가열성 개질기로 도입하는 단계; 및 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기로 디젤 개질물을 도입하는 단계를 포함하며, 포스트-개질기는 디젤 개질물 내의 저탄소(C2-C5) 탄화수소를 수소와 메탄으로 선택적으로 분해한다.
본 개시내용의 제10 양태는 제9 양태를 포함할 수 있고, 조절 밸브를 사용하여 액체 탈황기 및 연소기로의 디젤 연료 공급을 제어하는 단계를 추가로 포함한다.
본 개시내용의 제11 양태는 제9 또는 제10 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 디젤 개질물은 합성가스를 포함한다.
본 개시내용의 제12 양태는 제9 내지 제11 측면 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 디젤 자체 가열성 개질기는 귀금속 촉매를 포함한다.
본 개시내용의 제13 양태는 제9 내지 제12 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 포스트-개질기는 귀금속 촉매, 전이 금속 촉매, 또는 이들의 조합을 포함한다.
본 개시내용의 제14 양태는 제9 내지 제13 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 연소기로부터 배출되는 고온 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하는 단계를 추가로 포함한다.
본 개시내용의 제15 양태는 제9 내지 제14 양태 중 어느 하나를 포함할 수 있고, 포스트-개질기로부터 배출되는 고온 개질 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
본 개시내용의 사상 또는 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변경이 만들어질 수 있다는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 본 개시내용의 사상 및 요지를 통합하는 개시된 실시예의 수정, 조합, 하위 조합 및 변형이 당업자에게 일어날 수 있기 때문에, 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 모든 것을 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
특성에 할당된 임의의 2개의 정량적 값은 해당 특성의 범위를 구성할 수 있으며, 주어진 특성의 모든 언급된 정량적 값으로부터 형성된 범위의 모든 조합이 본 개시내용에서 고려된다는 것을 이해해야 한다. 하나 이상의 실시예에서, 조성물 또는 제제에서 화학 성분의 조성 범위는 그 성분의 이성질체의 혼합물을 함유하는 것으로서 이해되어야 함을 이해해야 한다. 예는 다양한 조성에 대한 조성 범위를 제공하고. 특정 화학 조성의 이성질체의 총량이 범위를 구성할 수 있다는 것을 이해해야 한다.
다음의 청구항 중 하나 이상은 전환 문구로서 "여기서"라는 용어를 사용한다는 점에 유의해야 한다. 본 기술을 정의할 목적을 위해, 이 용어는 구조의 일련의 특징의 인용을 도입하는데 사용되는 개방형 전환 문구로서 청구항에 도입되며, 보다 일반적으로 사용되는 개방형 전문 용어 "포함하는"과 유사한 방식으로 해석되어야 한다.
본 개시내용의 요지를 특정 실시예를 참조하여 상세하게 기술하였지만, 특정 요소가 본 설명을 수반하는 각각의 도면에 예시된 경우에도, 본 명세서에 기재된 다양한 실시예의 필수 구성요소인 요소와 이러한 상세한 설명이 관련된다는 것을 암시하는 것으로 본 개시내용에 기재된 다양한 세부사항이 받아들여서는 안 된다는 점에 유의한다. 오히려, 첨부된 청구범위는 본 개시내용의 폭 및 본 개시내용에 기술된 다양한 실시예의 대응하는 범위의 유일한 표현으로 간주되어야 한다. 또한, 다양한 수정 및 변경이 청구된 요지의 사상 및 범위를 벗어남이 없이 설명된 실시예에 대해 만들어질 수 있다는 것이 당업자에게 자명해야 한다. 따라서, 명세서는 이러한 수정 및 변경이 첨부된 청구범위 및 그 등가물의 범위 내에 있는 한 다양한 기술된 실시예의 수정 및 변경을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims (15)

  1. 디젤 개질 시스템으로서,
    디젤 자체 가열성 개질기;
    상기 디젤 자체 가열성 개질기의 상류에 배치되고 상기 디젤 자체 가열성 개질기로의 공급 전에 디젤 연료로부터 황 화합물을 제거하도록 구성된 액체 탈황기;
    상기 액체 탈황기와 연통하고 상기 액체 탈황기에 열을 제공하도록 구성된 연소기;
    상기 액체 탈황기 및 상기 연소기와 연통하고 상기 액체 탈황기 및 상기 연소기로의 디젤 연료 공급을 제어하도록 구성되는 조절 밸브; 및
    상기 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기를 포함하는, 디젤 개질 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 연소기는 디젤 연소 촉매를 포함하는 디젤 연소기인, 디젤 개질 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 연소기와 유체 연통하는 제1 열교환기를 추가로 포함하며, 상기 제1 열교환기는 상기 연소기로부터 배출되는 고온 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하도록 구성되는, 디젤 개질 시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소기와 유체 연통하는 제2 열교환기를 추가로 포함하고, 상기 제2 열교환기는 상기 디젤 자체 가열성 개질기로부터 배출되는 고온 개질 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하도록 구성되는, 디젤 개질 시스템.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 물을 상기 제1 열교환기 및 상기 제2 열교환기로 분배 및 공급하기 위한 분배 밸브를 추가로 포함하는, 디젤 개질 시스템.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포스트-개질기는 상기 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치되는, 디젤 개질 시스템.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포스트-개질기는 귀금속 촉매, 전이 금속 촉매 또는 이들의 조합을 포함하는, 디젤 개질 시스템.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디젤 자체 가열성 개질기는 귀금속 촉매를 포함하는, 디젤 개질 시스템.
  9. 디젤 개질의 방법으로서,
    제1 디젤 연료 공급물을 연소기로 도입하는 단계로서, 상기 연소기는 제1 디젤 연료 공급물의 연소로부터 열을 발생시키는, 상기 단계;
    열을 액체 탈황기로 전달하는 단계로서, 열은 상기 액체 탈황기의 온도를 작동 온도로 상승시키는, 상기 단계;
    상기 액체 탈황기로 제2 디젤 연료 공급물을 도입하는 단계로서, 작동 온도에서 상기 액체 탈황기가 탈황된 디젤 연료를 생성하기 위해 황 화합물을 제거하는, 상기 단계;
    탈황된 디젤 연료를 디젤 개질물로 적어도 부분적으로 변환하기 위해 탈황된 디젤 연료뿐만 아니라 공기 및 수증기를 디젤 자체 가열성 개질기로 도입하는 단계; 및
    상기 디젤 자체 가열성 개질기의 하류에 배치된 포스트-개질기로 디젤 개질물을 도입하는 단계를 포함하며,
    상기 포스트-개질기는 디젤 개질물 내의 저탄소(C2-C5) 탄화수소를 수소와 메탄으로 선택적으로 분해하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서, 조절 밸브를 사용하여 상기 액체 탈황기 및 상기 연소기로의 디젤 연료 공급을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 상기 디젤 개질물은 합성가스를 포함하는, 방법.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디젤 자체 가열성 개질기는 귀금속 촉매를 포함하는, 방법.
  13. 제9항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포스트-개질기는 귀금속 촉매, 전이 금속 촉매, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  14. 제9항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소기로부터 배출되는 고온 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
  15. 제9항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 포스트-개질기로부터 배출되는 고온 개질 가스를 사용하여 물을 수증기로 변환하는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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