KR20230171796A - Ammonia decomposition apparatus for hydrogen producing and ammonia decomposition method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일 측면에 따른 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치는, 암모니아가 이동하는 암모니아 분해관, 상기 암모니아 분해관 내부에 설치되며 암모니아를 분해하는 암모니아 분해 촉매, 배가스를 산화시켜서 열을 발생시키고, 배가스 내의 잔류 암모니아를 제거하며, 상기 분해관에 열을 전달하는 배가스 연소촉매, 및 상기 배가스 연소촉매 및 상기 분해관을 수용하는 하우징을 포함할 수 있다.An ammonia decomposition device for producing hydrogen according to one aspect of the present invention includes an ammonia decomposition pipe through which ammonia moves, an ammonia decomposition catalyst installed inside the ammonia decomposition pipe to decompose ammonia, oxidizing exhaust gas to generate heat, and exhaust gas. It may include an exhaust gas combustion catalyst that removes residual ammonia within and transfers heat to the decomposition pipe, and a housing that accommodates the exhaust gas combustion catalyst and the decomposition pipe.
Description
본 발명은 수소를 제조하기 위해서 암모니아를 분해하는 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus and method for decomposing ammonia to produce hydrogen.
종래 주요 에너지원인 화석연료를 사용함으로써 발생하는 이산화탄소는 전세계적인 지구온난화를 비롯한 이상 기후변화를 야기하고 있다. 뿐만 아니라 상기 화석연료는 지리학적으로 특정 지역에 매장량이 한정되어 있는 부존자원이라는 점에서 지속적인 사용이 불가하고, 사회, 경제적인 이슈에 따라 가격변동성이 크고, 공급망이 불안정해지는 등의 문제점을 가지고 있다. 이에 상기 화석연료에 의존하고 있는 에너지 시스템을 탈피하고, 신규 에너지원으로써 수소를 활용하고자 연구개발이 진행되고 있다.Carbon dioxide generated from the use of fossil fuels, the main energy source, is causing abnormal climate changes, including global warming. In addition, the fossil fuel has problems such as the fact that it is an existing resource whose reserves are limited to certain geographical areas, so continuous use is not possible, price volatility is large depending on social and economic issues, and the supply chain becomes unstable. . Accordingly, research and development is underway to break away from the energy system dependent on fossil fuels and utilize hydrogen as a new energy source.
수소는 수소 원자 두 개가 공유 결합된 수소 분자(H2)로써 온실가스와 미세먼지를 배출하는 화석연료와 달리 이산화탄소의 배출이 전혀 없고, 물이 부산물로써 배출되는 이상적인 청정 에너지원이다. 상기 수소를 활용하려는 방안으로써 자동차 연료원으로 활용하는 방안이 이미 상용화로 진행되고 있으며, 안정적인 수소 공급을 위하여 수소 생산 기술에 관한 연구가 진행 중이다.Hydrogen is a hydrogen molecule (H2) in which two hydrogen atoms are covalently bonded. Unlike fossil fuels that emit greenhouse gases and fine dust, hydrogen does not emit any carbon dioxide and is an ideal clean energy source as water is emitted as a by-product. As a way to utilize the above hydrogen as a fuel source for automobiles, commercialization is already in progress, and research on hydrogen production technology is in progress to ensure a stable supply of hydrogen.
수소를 효율적으로 저장하고 운송하는 방법 중의 하나는 암모니아를 수소 공급원으로 사용하는 것이다. 암모니아가 수소와 질소로 분해하는 공정은 흡열 과정이기 때문에 생성물을 얻기 위해서는 에너지가 필요하다. 이에 따라 에너지의 소모를 최소화하면서 암모니아를 효율적으로 분해할 수 있는 장치가 필요하다. One way to efficiently store and transport hydrogen is to use ammonia as a hydrogen source. Since the process of decomposing ammonia into hydrogen and nitrogen is an endothermic process, energy is required to obtain the product. Accordingly, a device that can efficiently decompose ammonia while minimizing energy consumption is needed.
또한, 암모니아 분해장치의 구동 초기에는 촉매의 온도가 낮아 다량의 미분해 암모니아가 발생하는 문제가 있다. 암모니아는 독성물질이므로 암모니아를 사용하는 연료전지, 엔진, 터빈 및 연소기 등의 배가스 내에 포함된 잔여 암모니아를 제거하여 배출할 필요가 있다.Additionally, at the beginning of operation of the ammonia decomposition device, there is a problem in that a large amount of undecomposed ammonia is generated due to the low temperature of the catalyst. Ammonia is a toxic substance, so it is necessary to remove and discharge residual ammonia contained in the exhaust gases of fuel cells, engines, turbines, and combustors that use ammonia.
상기한 바와 같은 기술적 배경을 바탕으로, 본 발명은 암모니아를 효율적으로 분해하고, 열효율이 향상된 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치 및 암모니아 분해 방법을 제공한다.Based on the technical background described above, the present invention provides an ammonia decomposition device and ammonia decomposition method for efficiently decomposing ammonia and producing hydrogen with improved thermal efficiency.
본 발명의 일 측면에 따른 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치는, 암모니아가 이동하는 암모니아 분해관, 상기 암모니아 분해관 내부에 설치되며 암모니아를 분해하는 암모니아 분해 촉매, 배가스를 산화시켜서 열을 발생시키고, 배가스 내의 잔류 암모니아를 제거하며, 상기 분해관에 열을 전달하는 배가스 연소촉매, 및 상기 배가스 연소촉매 및 상기 분해관을 수용하는 하우징을 포함할 수 있다.An ammonia decomposition device for producing hydrogen according to one aspect of the present invention includes an ammonia decomposition pipe through which ammonia moves, an ammonia decomposition catalyst installed inside the ammonia decomposition pipe to decompose ammonia, oxidizing exhaust gas to generate heat, and exhaust gas. It may include an exhaust gas combustion catalyst that removes residual ammonia within and transfers heat to the decomposition pipe, and a housing that accommodates the exhaust gas combustion catalyst and the decomposition pipe.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 배가스 연소촉매는 상기 분해관을 감싸도록 설치될 수 있다.The exhaust gas combustion catalyst according to one aspect of the present invention may be installed to surround the decomposition pipe.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 배가스 연소촉매는 고리 형상으로 배치될 수 있다.The exhaust gas combustion catalyst according to one aspect of the present invention may be arranged in a ring shape.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 분해 장치는 상기 분해관 내부에 설치되되 암모니아를 흡착하고 상기 배가스 연소촉매의 하류측에 배치되어 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 환원촉매를 더 포함할 수 있다.The ammonia decomposition device according to one aspect of the present invention may further include a nitrogen oxide reduction catalyst installed inside the decomposition tube to adsorb ammonia and disposed downstream of the exhaust gas combustion catalyst to reduce nitrogen oxides.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 분해 장치는 상기 분해관 내부에 설치되되 상기 배가스 연소촉매의 상류측에 배치되어 암모니아를 산화시키는 암모니아 산화촉매를 더 포함할 수 있다.The ammonia decomposition device according to one aspect of the present invention may further include an ammonia oxidation catalyst installed inside the decomposition tube and disposed upstream of the exhaust gas combustion catalyst to oxidize ammonia.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 분해 장치는 상기 분해관 내부로 암모니아를 분사하되, 상기 암모니아 산화촉매와 상기 메인촉매 사이로 암모니아를 분사하는 중간 공급관을 더 포함할 수 있다.The ammonia decomposition device according to one aspect of the present invention sprays ammonia into the decomposition pipe, and may further include an intermediate supply pipe that sprays ammonia between the ammonia oxidation catalyst and the main catalyst.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 분해 장치는 상기 암모니아 산화촉매 내부로 삽입되어 상기 암모니아 산화촉매를 가열하는 가열장치를 더 포함할 수 있다.The ammonia decomposition device according to one aspect of the present invention may further include a heating device that is inserted into the ammonia oxidation catalyst and heats the ammonia oxidation catalyst.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 하우징 내부에는 복수의 격벽이 형성되고, 격벽 사이에는 배가스 연소촉매가 채워지며, 상기 하우징에는 열교환기가 결합 설치될 수 있다.According to one aspect of the present invention, a plurality of partition walls are formed inside the housing, an exhaust gas combustion catalyst is filled between the partition walls, and a heat exchanger may be coupled to the housing.
본 발명의 일 측면에 따른 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법은 분해관 내부에 설치된 메인촉매를 이용하여 암모니아를 산화 및 분해하여, 수소, 질소, 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성하는 암모니아 분해 단계, 및 배가스 연소촉매를 이용하여 배가스를 산화시켜서 배가스 내의 잔류 암모니아를 제거하고, 이때 발생된 열을 분해관에 열을 전달하여 분해관을 가열하는 배가스 촉매 연소 단계를 포함할 수 있다.The ammonia decomposition method for producing hydrogen according to one aspect of the present invention includes an ammonia decomposition step of oxidizing and decomposing ammonia using a main catalyst installed inside the decomposition tube to generate decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia. , and an exhaust gas catalyst combustion step of removing residual ammonia in the exhaust gas by oxidizing the exhaust gas using an exhaust gas combustion catalyst, and transferring the heat generated at this time to the decomposition pipe to heat the decomposition pipe.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 배가스 촉매 연소 단계는 상기 분해관을 감싸도록 설치된 배가스 연소촉매를 이용하여 상기 분해관을 가열할 수 있다.The exhaust gas catalytic combustion step according to one aspect of the present invention may heat the decomposition pipe using an exhaust gas combustion catalyst installed to surround the decomposition pipe.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 분해 방법은 상기 메인촉매의 하류측에 배치된 질소산화물 환원촉매를 이용하여 분해가스에 포함된 암모니아를 흡착하고, 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 환원단계를 더 포함할 수 있다.The ammonia decomposition method according to one aspect of the present invention may further include a nitrogen oxide reduction step of adsorbing ammonia contained in the decomposition gas and reducing nitrogen oxides using a nitrogen oxide reduction catalyst disposed downstream of the main catalyst. You can.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 질소산화물 환원단계는 상기 질소산화물 환원촉매에 암모니아가 과도하게 흡착되었다고 판단되면, 공기의 공급량을 조절하여 질소산화물 발생량을 증가시켜서 암모니아를 제거할 수 있다.In the nitrogen oxide reduction step according to one aspect of the present invention, if it is determined that ammonia is excessively adsorbed on the nitrogen oxide reduction catalyst, ammonia can be removed by adjusting the supply amount of air to increase the amount of nitrogen oxides generated.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 암모니아 분해 방법은 메인촉매의 상류측에 배치된 산화촉매를 이용하여 암모니아를 산화시키는 암모니아 산화 단계를 더 포함할 수 있다.The ammonia decomposition method according to one aspect of the present invention may further include an ammonia oxidation step of oxidizing ammonia using an oxidation catalyst disposed upstream of the main catalyst.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 암모니아 산화 단계는 상기 배가스 연소촉매를 이용하여 상기 분해관을 가열하는 동안 상기 산화촉매로 공급되는 암모니아와 공기의 유량을 제어하여 상기 메인촉매의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.The ammonia oxidation step according to one aspect of the present invention can maintain the temperature of the main catalyst constant by controlling the flow rate of ammonia and air supplied to the oxidation catalyst while heating the decomposition tube using the exhaust gas combustion catalyst. there is.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 암모니아 분해 단계는 상기 산화촉매와 상기 메인촉매 사이에 설치된 중간 공급관을 통해서 암모니아를 공급하고 분해관과 중간 공급관을 통해서 공급된 암모니아를 분해할 수 있다.The ammonia decomposition step according to one aspect of the present invention may supply ammonia through an intermediate supply pipe installed between the oxidation catalyst and the main catalyst and decompose the ammonia supplied through the decomposition pipe and the intermediate supply pipe.
본 발명의 일 측면에 따른 상기 암모니아 분해 단계는 상기 메인촉매에 암모니아와 공기를 공급하고, 이때 발생된 열을 상기 배가스 연소촉매에 전달하여 상기 배가스 연소촉매를 가열할 수 있다.In the ammonia decomposition step according to one aspect of the present invention, ammonia and air are supplied to the main catalyst, and the heat generated at this time is transferred to the exhaust gas combustion catalyst to heat the exhaust gas combustion catalyst.
본 발명의 일 측면에 따른 암모니아 분해 방법은 상기 배가스 연소촉매로부터 열을 전달받는 열교환기를 이용하여 유체를 가열하는 열교환 단계를 더 포함할 수 있다.The ammonia decomposition method according to one aspect of the present invention may further include a heat exchange step of heating the fluid using a heat exchanger that receives heat from the exhaust gas combustion catalyst.
본 발명의 일 측면에 따른 수소 제조 장치는 배가스를 산화시켜서 열을 발생시키는 배가스 연소촉매를 포함하여 암모니아 분해관을 열을 전달하므로 암모니아 분해 효율이 향상될 뿐만 아니라, 잔류 암모니아를 효율적으로 제거할 수 있다.The hydrogen production device according to one aspect of the present invention includes an exhaust gas combustion catalyst that generates heat by oxidizing the exhaust gas and transfers heat to the ammonia decomposition pipe, so that not only the ammonia decomposition efficiency is improved, but also the residual ammonia can be efficiently removed. there is.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 도시한 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.
도 10은 도 9에서 Ⅹ-Ⅹ선을 따라 잘라 본 단면도이다.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 1 is a configuration diagram showing an ammonia decomposition device according to a first embodiment of the present invention.
Figure 2 is a cross-sectional view of the ammonia decomposition device according to the first embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction.
Figure 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in Figure 2.
Figure 4 is a flowchart for explaining the ammonia decomposition method according to the first embodiment of the present invention.
Figure 5 is a configuration diagram showing an ammonia decomposition device according to a second embodiment of the present invention.
Figure 6 is a cross-sectional view cut in the longitudinal direction of the ammonia decomposition device according to the second embodiment of the present invention.
Figure 7 is a flowchart for explaining the ammonia decomposition method according to the second embodiment of the present invention.
Figure 8 is a configuration diagram showing an ammonia decomposition device according to a third embodiment of the present invention.
Figure 9 is a cross-sectional view cut in the longitudinal direction of the ammonia decomposition device according to the third embodiment of the present invention.
Figure 10 is a cross-sectional view taken along line X-X in Figure 9.
Figure 11 is a flowchart for explaining the ammonia decomposition method according to the third embodiment of the present invention.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.Since the present invention can be modified in various ways and can have various embodiments, specific embodiments will be exemplified and explained in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and technical scope of the present invention.
본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '포함하다' 또는 '가지다' 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly dictates otherwise. In the present invention, terms such as 'include' or 'have' are intended to designate the presence of features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but are not intended to indicate the presence of one or more other features. It should be understood that this does not exclude in advance the possibility of the existence or addition of elements, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the attached drawings. At this time, note that in the attached drawings, like components are indicated by the same symbols whenever possible. Additionally, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some components are exaggerated, omitted, or schematically shown in the accompanying drawings.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해장치에 대해서 설명한다.Hereinafter, an ammonia decomposition device according to the first embodiment of the present invention will be described.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 도시한 구성도이고, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 길이방향으로 잘라 본 단면도이며, 도 3은 도 2에서 Ⅲ-Ⅲ선을 따라 잘라 본 단면도이다.FIG. 1 is a configuration diagram showing an ammonia decomposition device according to a first embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view cut longitudinally of an ammonia decomposition device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 3 is FIG. This is a cross-sectional view taken along line Ⅲ-Ⅲ in 2.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 본 제1 실시예에 따른 암모니아 분해장치(101)는 하우징(110), 분해관(120), 메인촉매(121), 질소산화물 환원촉매(123), 배가스 연소촉매(116)를 포함할 수 있다. 암모니아 분해장치(101)는 촉매를 이용하여 암모니아를 산화 및 분해하여, 수소, 질소, 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성한다.1 to 3, the
분해가스는 산화장치(180)로 공급되어 사용되는데, 산화장치(180)는 연료전지, 가스터빈, 연소기, 내연기관으로 이루어질 수 있다. 산화장치(180)는 분해가스를 산화시켜서 열을 발생시키거나 동력 및 전기를 생산할 수 있다. 산화장치(180)는 분해관(120)과 연결되어 분해관(120)으부터 분해가스를 공급받는다. 또한, 산화장치(180)에는 추가 암모니아와 공기를 공급하는 추가 공급관(181)이 설치될 수 있다.The decomposed gas is supplied to and used in the
하우징(110)은 원통형상 또는 육면체 등으로 이루어질 수 있으며, 내부 공간을 갖는 상자 형태로 이루어진다. 하우징(110)의 일 측면에는 산화장치(180)에서 배출된 배가스가 유입되는 배가스 유입구(112)가 형성되고, 다른 측면에는 배가스가 배출되는 배가스 배출구(114)가 형성될 수 있다.The
암모니아 분해장치(101)에서 생성된 수소를 포함하는 분해가스는 산화장치(180)로 공급되어 사용된 후에 배가스로 변환되어 암모니아 분해장치(101)로 다시 유입된다. 이에 따라 배가스에 포함된 열을 이용할 수 있다.The decomposition gas containing hydrogen generated in the
한편, 분해관(120)은 하우징(110)을 길이방향으로 관통하도록 설치되며, 암모니아가 이동하는 통로를 제공한다. 암모니아는 기체 형태로 공급되거나 액체 형태로 분사될 수 있다. 암모니아는 분해관(120)을 통과하면서 열을 공급받아 수소를 포함하는 분해가스로 변환된다.Meanwhile, the
분해관(120)에는 암모니아를 산화 및 분해시키는 메인촉매(121)가 설치되는데, 메인촉매(121)는 암모니아를 부분 산화시키는 부분산화촉매 또는 루테늄을 포함하는 분해촉매로 이루어질 수 있다. 다만 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 메인촉매(121)는 귀금속과 루테늄을 포함하는 다양한 종류의 촉매로 이루어질 수 있다.A
질소산화물 환원촉매(123)는 분해관 내에 설치되되, 메인촉매(121)의 하류측에 배치될 수 있다. 질소산화물 환원촉매(123)는 메인촉매(121)를 통과하면서 생성된 분해가스에 포함된 암모니아를 이용하여 질소산화물을 질소분자와 물로 환원시킨다. 질소산화물 환원촉매(123)는 선택적 환원촉매(SCR)로 이루어질 수 있다.The nitrogen
질소산화물 환원촉매(123)에서 질소산화물이 제거된 분해가스는 산화장치(180)에 공급되어 연료로서 사용될 수 있다. 이와 같이 본 실시예에 따르면 질소산화물 환원촉매(123)가 분해관(120) 내부에 설치되어 분해가스에 포함된 질소산화물을 효율적으로 제거할 수 있다. The decomposed gas from which nitrogen oxides are removed in the nitrogen
또한, 질소산화물 환원촉매(123)는 잔류하는 암모니아를 흡착하여 제거할 수 있는데, 질소산화물 환원촉매(123)에 흡착된 암모니아는 질소산화물과 반응하여 제거될 수 있다. 즉, 질소산화물 환원촉매(123)에 암모니아가 과도하게 흡착되었다고 판단되면, 공기의 공급량을 조절하여 질소산화물 발생량을 증가시켜서 암모니아를 제거할 수 있다.In addition, the nitrogen
한편, 하우징(110)의 내부에는 배가스를 산화시켜서 열을 발생시키는 배가스 연소촉매(116)가 설치된다. 배가스 연소촉매(116)는 배가스를 산화시켜서 배가스 내의 잔류 암모니아를 제거하며, 이때 발생된 열을 분해관(120)에 열을 전달하여 분해관(120)을 가열한다. 또한 분해관(120)에서 생성된 열은 배가스 연소촉매(116)로 전달되어 배가스 연소촉매(116)의 연소효율이 향상될 수 있다.Meanwhile, an exhaust
배가스 연소촉매(116)는 분해관(120)의 외측에 배치되는데, 분해관(120)을 감싸도록 설치될 수 있다. 또한, 본 실시예에 따른 배가스 연소촉매(116)는 고리형상으로 배치될 수 있다. 배가스 연소촉매(116)는 백금, 팔라듐 등의 귀금속을 포함하는 연소촉매로 이루어질 수 있다. 산화장치(180)에서 배출된 배가스가 하우징(110) 내부로 유입되면 배가스 연소촉매(116)에 의하여 배가스가 연소되면서 많은 열이 발생하며, 이때, 배가스에 포함된 잔류 암모니아가 제거될 수 있다.The exhaust
상기한 바와 같이 본 실시예에 따르면 배가스 연소촉매(116)가 분해관(120)을 감싸도록 설치되어 분해관(120)을 효율적으로 가열하므로 암모니아 분해 효율 및 열 효율이 향상될 수 있다. 또한, 분해관(120) 내부에 질소산화물 환원촉매(123)가 설치되어 질소산화물 및 암모니아의 배출이 저감될 수 있다.As described above, according to this embodiment, the exhaust
이하에서는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method for decomposing ammonia according to the first embodiment of the present invention will be described.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 4 is a flowchart for explaining the ammonia decomposition method according to the first embodiment of the present invention.
도 1 내지 도 4를 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은 암모니아 분해 단계(S101), 질소산화물 환원 단계(S102), 배가스 촉매 연소 단계(S103)를 포함할 수 있다.1 to 4, the ammonia decomposition method according to this embodiment may include an ammonia decomposition step (S101), a nitrogen oxide reduction step (S102), and an exhaust gas catalytic combustion step (S103).
암모니아 분해 단계(S101)는 메인촉매(121)를 이용하여 암모니아를 산화 및 분해하여, 수소, 질소, 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성한다. 암모니아 분해 단계(S101)는 분해관(120) 내부로 암모니아와 공기를 공급하여 암모니아를 산화시키되, 분해관(120)을 감싸는 배가스 연소촉매(116)에 열을 전달하여 배가스 연소촉매(116)를 가열할 수 있다.The ammonia decomposition step (S101) oxidizes and decomposes ammonia using the
질소산화물 환원 단계(S102)는 메인촉매(121)의 하류측에 배치된 질소산화물 환원촉매(123)를 이용하여 분해가스에 포함된 질소산화물을 질소분자와 물로 환원시킨다. 또한, 질소산화물 환원 단계(S102)는 잔류하는 암모니아를 흡착하며, 질소산화물 환원촉매(123)에 흡착된 암모니아는 질소산화물과 반응하여 제거될 수 있다.The nitrogen oxide reduction step (S102) reduces nitrogen oxides contained in the decomposition gas into nitrogen molecules and water using the nitrogen
질소산화물 환원 단계(S102)는 질소산화물 환원촉매(123)에 암모니아가 과도하게 흡착되었다고 판단되면, 공기의 공급량을 조절하여 질소산화물 발생량을 증가시켜서 암모니아를 제거할 수 있다.In the nitrogen oxide reduction step (S102), if it is determined that ammonia is excessively adsorbed on the nitrogen
배가스 촉매 연소 단계(S103)는 분해관(120)을 감싸는 배가스 연소촉매(116)를 이용하여 배가스를 산화시켜서 배가스 내의 잔류 암모니아를 제거하며, 이때 발생된 열을 분해관(120)에 열을 전달하여 분해관(120)을 가열한다.The exhaust gas catalytic combustion step (S103) oxidizes the exhaust gas using the exhaust
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해장치에 대해서 설명한다.Hereinafter, an ammonia decomposition device according to a second embodiment of the present invention will be described.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 도시한 구성도이고, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 길이방향으로 잘라 본 단면도이다.Figure 5 is a configuration diagram showing an ammonia decomposition device according to a second embodiment of the present invention, and Figure 6 is a cross-sectional view of the ammonia decomposition device according to a second embodiment of the present invention cut in the longitudinal direction.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 암모니아 분해장치(102)는 암모니아 산화촉매(125)와 중간 공급관(128)을 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 암모니아 분해장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.5 and 6, the
암모니아 산화촉매(125)는 분해관(120) 내부에 설치되어 분해관(120)으로 유입된 암모니아를 산화시킨다. 암모니아 산화촉매(125)는 당량비 1 초과의 공기를 공급받아 암모니아를 부분 산화시킬 수 있으며, 당량비 1 이하의 공기를 공급받아 암모니아를 완전 산화시킬 수도 있다. 암모니아 산화촉매(125)는 귀금속(백금, 팔라듐, 로듐 등)이 함침된 촉매로 이루어질 수 있다.The
암모니아 산화촉매(125)에는 암모니아 산화촉매(125)를 가열하여 위한 가열장치(127)가 설치될 수 있다. 가열장치(127)는 가열봉으로 이루어질 수 있으며, 암모니아 산화촉매(125) 내부로 삽입되어 암모니아 산화촉매(125)의 온도를 상승시킬 수 있다.A
암모니아 산화촉매(125)는 암모니아 분해장치(102)의 시동 시에 메인촉매(121)로 열을 제공하여 메인촉매(121)가 암모니아를 효율적으로 분해할 수 있도록 돕는다. 또한, 메인촉매(121)의 온도가 충분히 상승한 경우에는 암모니아 산화촉매(125)로 유입되는 암모니아 또는 산소의 공급을 조절하여 암모니아 산화촉매(125)의 반응을 감소시키거나 중단시킬 수도 있다. 또한, 암모니아는 탄소를 포함하지 않으므로 암모니아의 산화시에 촉매의 탄소흡착이 발생하지 않는 장점이 있다.The
한편, 분해관(120) 내부에는 중간 공급관(128)이 설치되는데, 중간 공급관(128)은 분해관(120) 내부로 암모니아를 분사하되, 암모니아 산화촉매(125)와 메인촉매(121) 사이로 암모니아를 분사한다. 중간 공급관(128)은 메인촉매(121)로 유입되는 암모니아의 유량을 증가시켜서 암모니아의 분해 효율이 향상될 수 있다.Meanwhile, an
이하에서는 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method for decomposing ammonia according to a second embodiment of the present invention will be described.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다.Figure 6 is a flowchart for explaining the ammonia decomposition method according to the second embodiment of the present invention.
도 5 및 도 6을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은 암모니아 산화 단계(S201), 암모니아 분해 단계(S202), 질소산화물 환원 단계(S203), 배가스 촉매 연소 단계(S204)를 포함할 수 있다.5 and 6, the ammonia decomposition method according to this embodiment includes an ammonia oxidation step (S201), an ammonia decomposition step (S202), a nitrogen oxide reduction step (S203), and an exhaust gas catalytic combustion step (S204). It can be included.
본 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은 암모니아 산화 단계(S201)와 암모니아 분해 단계(S202)를 제외하고는 상기한 제1 실시예에 따른 암모니아 분해 방법과 동일한 과정으로 이루어지므로 동일한 과정에 대한 중복 설명은 생략한다.Since the ammonia decomposition method according to this embodiment consists of the same process as the ammonia decomposition method according to the first embodiment described above except for the ammonia oxidation step (S201) and the ammonia decomposition step (S202), duplicate description of the same process is provided. Omit it.
암모니아 산화 단계(S201)는 메인촉매(121)의 상류측에 배치된 암모니아 산화촉매(125)를 이용하여 암모니아를 산화시킨다. 암모니아 산화 단계(S201)는 암모니아를 부분 산화시킬 수 있으며, 암모니아를 완전 산화시킬 수도 있다. 암모니아 산화 단계(S201)는 가열장치(127)를 이용하여 암모니아 산화촉매(125)를 가열한 후, 또는 가열장치(127)를 이용하여 암모니아 산화촉매(125)를 가열하면서 암모니아를 산화시킬 수 있다. The ammonia oxidation step (S201) oxidizes ammonia using the
암모니아 산화 단계(S201)는 배가스 연소촉매(116)를 이용하여 분해관(120)을 가열하는 동안 산화촉매(125)로 공급되는 암모니아와 공기의 유량을 제어하여 메인촉매(121)의 온도를 일정하게 유지할 수 있다.The ammonia oxidation step (S201) controls the flow rate of ammonia and air supplied to the oxidation catalyst (125) while heating the decomposition tube (120) using the exhaust gas combustion catalyst (116) to keep the temperature of the main catalyst (121) constant. can be maintained.
암모니아 분해 단계(S202)는 메인촉매(121)를 이용하여 암모니아를 산화 및 분해하여, 수소, 질소, 미분해 암모니아를 포함하는 분해가스를 생성한다. 암모니아 분해 단계(S202)는 중간 공급관(128)을 통해서 암모니아를 공급하고, 암모니아 산화 단계(S201)에서 배출되는 가스와 중간 공급관(128)을 통해서 공급된 암모니아를 이용하여 암모니아를 분해하고 분해가스를 생성할 수 있다.The ammonia decomposition step (S202) oxidizes and decomposes ammonia using the
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해장치에 대해서 설명한다.Hereinafter, an ammonia decomposition device according to a third embodiment of the present invention will be described.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 도시한 구성도이고, 도 9는 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해장치를 길이방향으로 잘라 본 단면도이며, 도 10은 도 9에서 Ⅹ-Ⅹ선을 따라 잘라 본 단면도이다.Figure 8 is a configuration diagram showing an ammonia decomposition device according to a third embodiment of the present invention, Figure 9 is a cross-sectional view cut in the longitudinal direction of an ammonia decomposition device according to a third embodiment of the present invention, and Figure 10 is a This is a cross-sectional view taken along line Ⅹ-Ⅹ in 9.
도 8 내지 도 10을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 암모니아 분해장치(103)는 하우징(110)과 열교환기(150)를 제외하고는 상기한 제2 실시예에 따른 암모니아 분해장치와 동일한 구조로 이루어지므로 동일한 구성에 대한 중복 설명은 생략한다.8 to 10, the
하우징(110) 내부에는 복수의 격벽(117)이 형성되고, 격벽(117) 사이에는 배가스 연소촉매(116)가 채워진다. 분해관(120)은 상기한 격벽(117)들 중에서 어느 하나의 격벽(117) 사이에 설치될 수 있다. 도 9에서는 2개의 격벽(117)이 형성된 것으로 예시하고 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 한편, 격벽(117)들은 서로 다른 방향의 단부가 하우징(110)의 내벽에 고정되어 배가스가 지그재그 형태의 경로로 이동한다. 또한, 격벽(117) 사이에는 배기스 연소촉매(116)들이 채워져서 배기가스는 격벽(117) 사이를 이동하면서 산화될 수 있다.A plurality of
한편, 하우징(110)에는 하우징(110)에서 열을 전달받는 열교환기(150)가 결합된다. 열교환기(150)는 배기스 연소촉매(116)로부터 열을 공급받으며, 공기 등의 가열을 위하여 산화장치(180)로 공급할 수 있다.Meanwhile, a
이하에서는 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해 방법에 대해서 설명한다.Hereinafter, a method for decomposing ammonia according to a third embodiment of the present invention will be described.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 암모니아 분해 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 8 내지 도 11을 참조하여 설명하면, 본 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은 암모니아 산화 단계(S301), 암모니아 분해 단계(S302), 질소산화물 환원 단계(S303), 배가스 촉매 연소 단계(S304), 열교환 단계(S305)를 포함할 수 있다.Figure 11 is a flowchart for explaining the ammonia decomposition method according to the third embodiment of the present invention. 8 to 11, the ammonia decomposition method according to this embodiment includes an ammonia oxidation step (S301), an ammonia decomposition step (S302), a nitrogen oxide reduction step (S303), an exhaust gas catalytic combustion step (S304), A heat exchange step (S305) may be included.
본 실시예에 따른 암모니아 분해 방법은 열교환 단계(S305)를 제외하고는 상기한 제2 실시예에 따른 암모니아 분해 방법과 동일한 과정으로 이루어지므로 동일한 과정에 대한 중복 설명은 생략한다.Since the ammonia decomposition method according to this embodiment consists of the same process as the ammonia decomposition method according to the second embodiment described above except for the heat exchange step (S305), duplicate description of the same process will be omitted.
열교환 단계(S305)는 배가스 연소촉매(116)로부터 열을 전달받는 열교환기(150)를 이용하여 공기 등의 유체를 가열한다. 여기서 유체는 산화장치(180)로 공급되는 공기, 물, 등의 다양한 유체로 이루어질 수 있다.In the heat exchange step (S305), a fluid such as air is heated using the
하우징(110) 내부에는 복수의 격벽(117)이 형성되고, 격벽(117) 사이에는 배가스 연소촉매(116)가 채워지며, 배가스가 배가스 연소촉매(116)를 지나면서 발생된 열이 열교환기(150)로 전달될 수 있다. 열교환 단계(S305)에서 가열된 공기는 산화장치로 공급될 수 있다.A plurality of
이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.Above, an embodiment of the present invention has been described, but those skilled in the art can add, change, delete or add components without departing from the spirit of the present invention as set forth in the patent claims. The present invention may be modified and changed in various ways, and this will also be included within the scope of rights of the present invention.
101, 102, 103: 암모니아 분해장치
110: 하우징 112: 유입구
114: 배출구 116: 배가스 연소촉매
117: 격벽 120: 분해관
121: 메인촉매 123: 질소산화물 환원촉매
125: 암모니아 산화촉매 128: 중간 공급관
150: 열교환기 180: 산화장치101, 102, 103: Ammonia decomposition device
110: housing 112: inlet
114: outlet 116: exhaust gas combustion catalyst
117: partition 120: decomposition pipe
121: Main catalyst 123: Nitrogen oxide reduction catalyst
125: Ammonia oxidation catalyst 128: Intermediate supply pipe
150: heat exchanger 180: oxidation device
Claims (17)
상기 암모니아 분해관 내부에 설치되며 암모니아를 분해하는 암모니아 분해 촉매;
배가스를 산화시켜서 열을 발생시키고, 배가스 내의 잔류 암모니아를 제거하며, 상기 분해관에 열을 전달하는 배가스 연소촉매; 및
상기 배가스 연소촉매 및 상기 분해관을 수용하는 하우징;
을 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.Ammonia decomposition tube through which ammonia moves;
An ammonia decomposition catalyst installed inside the ammonia decomposition pipe to decompose ammonia;
An exhaust gas combustion catalyst that oxidizes exhaust gas to generate heat, removes residual ammonia in the exhaust gas, and transfers heat to the decomposition tube; and
A housing accommodating the exhaust gas combustion catalyst and the decomposition pipe;
Ammonia decomposition device for hydrogen production comprising.
상기 배가스 연소촉매는 상기 분해관을 감싸도록 설치된 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.According to claim 1,
The exhaust gas combustion catalyst is an ammonia decomposition device for hydrogen production installed to surround the decomposition pipe.
상기 배가스 연소촉매는 고리 형상으로 배치된 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.According to clause 2,
An ammonia decomposition device for hydrogen production in which the exhaust gas combustion catalyst is arranged in a ring shape.
상기 분해관 내부에 설치되되 상기 배가스 연소촉매의 하류측에 배치되어 암모니아를 흡착하고 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 환원촉매를 더 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.According to claim 1,
An ammonia decomposition device for hydrogen production further comprising a nitrogen oxide reduction catalyst installed inside the decomposition tube and disposed downstream of the exhaust gas combustion catalyst to adsorb ammonia and reduce nitrogen oxides.
상기 분해관 내부에 설치되되 상기 배가스 연소촉매의 상류측에 배치되어 암모니아를 산화시키는 암모니아 산화촉매를 더 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.According to claim 1,
An ammonia decomposition device for hydrogen production further comprising an ammonia oxidation catalyst installed inside the decomposition pipe and disposed on an upstream side of the exhaust gas combustion catalyst to oxidize ammonia.
상기 분해관 내부로 암모니아를 분사하되, 상기 암모니아 산화촉매와 상기 메인촉매 사이로 암모니아를 분사하는 중간 공급관을 더 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.According to clause 5,
An ammonia decomposition device for producing hydrogen, which sprays ammonia into the decomposition pipe and further includes an intermediate supply pipe that sprays ammonia between the ammonia oxidation catalyst and the main catalyst.
상기 암모니아 산화촉매 내부로 삽입되어 상기 암모니아 산화촉매를 가열하는 가열장치를 더 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.According to clause 6,
An ammonia decomposition device for hydrogen production further comprising a heating device inserted into the ammonia oxidation catalyst to heat the ammonia oxidation catalyst.
상기 하우징 내부에는 복수의 격벽이 형성되고, 격벽 사이에는 배가스 연소촉매가 채워지며, 상기 하우징에는 열교환기가 결합 설치된 수소 제조를 위한 암모니아 분해 장치.According to clause 3,
An ammonia decomposition device for producing hydrogen in which a plurality of partition walls are formed inside the housing, an exhaust gas combustion catalyst is filled between the partition walls, and a heat exchanger is installed in the housing.
배가스 연소촉매를 이용하여 배가스를 산화시켜서 배가스 내의 잔류 암모니아를 제거하고, 이때 발생된 열을 상기 분해관에 전달하여 상기 분해관을 가열하는 배가스 촉매 연소 단계;
를 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.An ammonia decomposition step of oxidizing and decomposing ammonia using the main catalyst installed inside the decomposition tube to generate decomposition gas containing hydrogen, nitrogen, and undecomposed ammonia; and
An exhaust gas catalyst combustion step of removing residual ammonia in the exhaust gas by oxidizing the exhaust gas using an exhaust gas combustion catalyst, and transferring the heat generated at this time to the decomposition pipe to heat the decomposition pipe;
Ammonia decomposition method for hydrogen production comprising.
상기 배가스 촉매 연소 단계는 상기 분해관을 감싸도록 설치된 배가스 연소촉매를 이용하여 상기 분해관을 가열하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.According to clause 9,
The exhaust gas catalytic combustion step is an ammonia decomposition method for producing hydrogen in which the decomposition pipe is heated using an exhaust gas combustion catalyst installed to surround the decomposition pipe.
상기 메인촉매의 하류측에 배치된 질소산화물 환원촉매를 이용하여 분해가스에 포함된 암모니아를 흡착하고 질소산화물을 환원시키는 질소산화물 환원단계를 더 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.According to clause 9,
An ammonia decomposition method for producing hydrogen, further comprising a nitrogen oxide reduction step of adsorbing ammonia contained in the decomposition gas and reducing nitrogen oxides using a nitrogen oxide reduction catalyst disposed downstream of the main catalyst.
상기 질소산화물 환원단계는 상기 질소산화물 환원촉매에 암모니아가 과도하게 흡착되었다고 판단되면, 공기의 공급량을 조절하여 질소산화물 발생량을 증가시켜서 암모니아를 제거하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.According to claim 11,
In the nitrogen oxide reduction step, if it is determined that ammonia is excessively adsorbed on the nitrogen oxide reduction catalyst, the ammonia is removed by adjusting the supply amount of air to increase the amount of nitrogen oxides generated.
상기 메인촉매의 상류측에 배치된 산화촉매를 이용하여 암모니아를 산화시키는 암모니아 산화 단계를 더 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.According to clause 9,
Ammonia decomposition method for hydrogen production further comprising an ammonia oxidation step of oxidizing ammonia using an oxidation catalyst disposed upstream of the main catalyst.
상기 암모니아 산화 단계는 상기 배가스 연소촉매를 이용하여 상기 분해관을 가열하는 동안 상기 산화촉매로 공급되는 암모니아와 공기의 유량을 제어하여 상기 메인촉매의 온도를 일정하게 유지하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.According to claim 13,
The ammonia oxidation step is an ammonia decomposition method for hydrogen production in which the temperature of the main catalyst is kept constant by controlling the flow rate of ammonia and air supplied to the oxidation catalyst while heating the decomposition pipe using the exhaust gas combustion catalyst. .
상기 암모니아 분해 단계는 상기 산화촉매와 상기 메인촉매 사이에 설치된 중간 공급관을 통해서 암모니아를 공급하고 분해관과 중간 공급관을 통해서 공급된 암모니아를 분해하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.According to claim 13,
The ammonia decomposition step is an ammonia decomposition method for hydrogen production in which ammonia is supplied through an intermediate supply pipe installed between the oxidation catalyst and the main catalyst and the ammonia supplied through the decomposition pipe and the intermediate supply pipe is decomposed.
상기 암모니아 분해 단계는 상기 메인촉매에 암모니아와 공기를 공급하고, 이때 발생된 열을 상기 배가스 연소촉매에 전달하여 상기 배가스 연소촉매를 가열하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.According to clause 9,
In the ammonia decomposition step, ammonia and air are supplied to the main catalyst, and the heat generated at this time is transferred to the exhaust gas combustion catalyst to heat the exhaust gas combustion catalyst.
상기 배가스 연소촉매로부터 열을 전달받는 열교환기를 이용하여 유체를 가열하는 열교환 단계를 더 포함하는 수소 제조를 위한 암모니아 분해 방법.
According to clause 9,
Ammonia decomposition method for hydrogen production further comprising a heat exchange step of heating the fluid using a heat exchanger that receives heat from the exhaust gas combustion catalyst.
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