KR101279706B1 - 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법 - Google Patents

합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계방법은, 메탄화반응기를 통해 생성된 합성천연가스(SNG)를 연료전지에 이용함으로써, 에너지의 효과적인 이용이 가능하다. 또한, 공기분리유닛에서 생성된 산소 중 일부는 가스화기로 공급되어 사용되고, 나머지는 연료전지에 공급되어 사용됨으로써, 하나의 설비만으로 두 곳에 산소 공급이 용이하기 때문에, 설비비용을 절감할 수 있는 이점이 있다. 또한, 연료전지에서 배출되는 일산화탄소 일부를 합성천연가스 생성 공정의 수성가스전환 반응기로 보내 재이용함으로써, 에너지의 효과적인 이용이 가능하다. 또한, 연료전지에서 배출되는 이산화탄소 중 일부를 용융탄산염 연료전지로 보내 재이용하고, 나머지는 포집함으로써, 이산화탄소 배출량이 최소화되어 환경 오염 문제를 저감시킬 수 있다.

Description

합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법{Method for integrating production process of synthetic natural gas and process of fuel cell}
본 발명은 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 합성천연가스를 생성하여 연료전지의 연료로 이용함으로써, 에너지의 효과적인 이용이 가능한 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계시스템에 관한 것이다.
합성천연가스(SNG, Synthetic Natural Gas)는 탄소 물질을 포함한 연료인 석유나 석탄 등으로부터 만들어지는 가스이고, 메탄이 주성분인 천연가스와 성분이 비슷하여 합성천연가스 또는 대체천연가스라고도 한다.
최근에는 이 합성천연가스를 생성하는 공정에 관심이 대두되고 있다. 합성천연가스 생성공정은 산화탄소(CO2,C0) 및 수소를 함유하는 반응 기체를 메탄 가스로 변화시키는 과정이며, 가스화, 수성가스전환 및 산성가스제거의 순차적 단계에 의해 메탄가스가 생성된다.
한국공개특허 2010-012423호에는 탄소 물질을 가스화한 후, 수성가스 전환 및 메탄생성 반응기를 이용하여 합성천연가스를 생성하는 기술이 개시되어 있다.
상기와 같이 메탄 가스를 포함하는 합성천연가스 생성에 대한 관심이 증가되고 있으므로, 생성된 합성천연가스를 효율적으로 이용하는 방안에 대한 연구가 필요하다.
본 발명의 목적은, 합성천연가스를 연료전지의 연료로 이용하여 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법은, 공기를 이용해 공기 분리유닛에서 산소를 생성하는 단계와, 상기 산소와 석탄을 이용해 가스화기에서 일산화탄소를 생성하는 단계와, 상기 일산화탄소를 이용해 수성가스전환 반응기에서 수소를 생성하는 단계와, 상기 수소와 일산화탄소를 이용하여 메탄화 반응기에서 메탄 가스를 생성하는 단계와, 상기 메탄 가스를 연료전지에 공급하여 발전을 수행하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법은, 공기를 이용해 공기 분리유닛에서 산소를 생성하는 단계와, 상기 산소와 석탄을 이용해 가스화기에서 일산화탄소를 생성하는 단계와, 상기 일산화탄소를 이용해 수성가스전환 반응기에서 수소를 생성하는 단계와, 상기 수소와 일산화탄소를 이용하여 메탄화 반응기에서 메탄 가스를 생성하는 단계와, 상기 메탄 가스를 연료전지에 공급하여 발전을 수행하는 단계를 포함하고, 상기 공기 분리유닛에서 나온 산소 중 일부는 상기 가스화기로 유입하고, 나머지는 상기 연료전지에 공급하며, 상기 연료전지에서 배출되는 일산화탄소의 일부를 상기 수성가스전환 반응기로 공급하여 재이용한다.
본 발명에 따른 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계방법은, 메탄화반응기를 통해 생성된 합성천연가스(SNG)를 연료전지에 이용함으로써, 에너지의 효과적인 이용이 가능하다.
또한, 공기분리유닛에서 생성된 산소 중 일부는 가스화기로 공급되어 사용되고, 나머지는 연료전지에 공급되어 사용됨으로써, 하나의 설비만으로 두 곳에 산소 공급이 용이하기 때문에, 설비 비용을 절감할 수 있는 이점이 있다.
또한, 연료전지에서 배출되는 일산화탄소 일부를 합성천연가스 생성 공정의 수성가스전환 반응기로 보내 재이용함으로써, 에너지의 효과적인 이용이 가능하다.
또한, 연료전지에서 배출되는 이산화탄소 중 일부를 용융탄산염 연료전지로 보내 재이용하고, 나머지는 포집함으로써, 이산화탄소 배출량이 최소화되어 환경 오염 문제를 저감시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1실시예에 따른 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법이 적용된 설비의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 2실시예에 따른 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법이 적용된 설비의 구성도이다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법에 대해 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1에서는 본 발명의 제 1실시예에 따른 합성천연가스 생성 공정을 위한 설비(10)와 연료전지 공정을 위한 설비(30)가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 상기 합성천연가스 생성 공정을 위한 설비(10)는, 공기분리유닛(ASU, Air Separation Unit)(11), 가스화기(12), 수성가스전환 반응기(14), 산성가스제거기(16), 메탄화반응기(18)를 포함한다.
공기는 상기 공기분리유닛(11)에서 산소(O2)와 질소(N2)로 분리된다. 상기 공기분리유닛(11)으로부터 생성된 산소(O2)는 상기 가스화기(12)로 유입된다. 또한, 상기 공기분리유닛(11)에서 생성된 산소(O2) 중 일부는 후술하는 상기 연료전지(40)로도 공급되어 사용된다. 도면부호 22는 상기 공기분리유닛(11)에서 생성된 산소(O2)를 상기 연료전지(40)측으로 안내하여 공급하는 유로이다.
상기 가스화기(12)에는 전처리기(13)를 거친 석탄과, 상기 공기분리유닛(11)에서 나온 산소(O2), 그리고 물이 유입된다. 상기 가스화기(12)에서는 상기 석탄, 상기 산소(O2), 그리고 물이 서로 반응하여, 산화탄소(CO, CO2)가 생성된다. 상기 가스화기(12)에서 생성된 가스는 산화탄소(CO, CO2)가 대부분을 이루며, 그 외에도 수소(H2)나 다른 여러 가지 가스도 함께 생성되나, 이하, 산화탄소(CO, CO2)이외의 가스에 대한 설명은 생략한다. 상기 가스화기(12)에서 생성된 가스 중에서 일산화탄소(CO)가 후술하는 메탄화반응기(18)에서 메탄가스를 만드는 데 이용된다. 상기 가스화기(12)에서 생성된 일산화탄소(CO) 중 일부는 상기 수성가스전환 반응기(WGS, Water Gas Shift)(14)로 유입되어 수소(H2)를 만드는 데 사용되고, 나머지는 상기 가스 냉각기(15)로 바이패스된다.
상기 가스 냉각기(15)로 바이패스된 가스는 냉각된 후 상기 메탄화 반응기(18)로 공급되어 메탄 가스(CH4)를 만드는 데 이용된다.
상기 수성가스전환반응기(14)에서는 공급된 물이 스팀으로 변환되고, 상기 스팀의 존재 하에 일산화탄소(CO)가 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2)로 전환된다. 따라서, 상기 수성가스전환 반응기(14)에서는 수소(H2)가 생성되고, 생성된 수소(H2)는 후술하는 메탄화 반응기(18)에서 메탄 가스(CH4)를 만드는 데 이용된다.
상기 메탄화 반응기(18)로 유입되기 이전에, 상기 수성가스전환 반응기(14)에서 생성된 수소(H2) 및 이산화탄소(CO2)와 상기 가스 냉각기(15)에서 냉각된 일산화탄소(CO)와 이산화탄소(CO2)는 상기 산성가스 제거기(16)로 유입된다. 상기 산성가스 제거기(16)에서는 이산화탄소(CO2)는 바로 제거되고, 황 성분(Sulfur)은 황회수기(SRU, Sulfur Recovery Unit)(17)를 거치면서 회수된다. 상기 산성가스 제거기(16)를 통과한 가스는 거의 일산화탄소(CO)와 수소(H2)의 혼합물이다. 상기 산성가스 제거기(16)를 통과한 일산화탄소(CO)와 수소(H2)는 메탄화 반응기(18)로 유입된다.
상기 메탄화 반응기(18)에서는 일산화탄소(CO)와 수소(H2)가 반응하여 메탄 가스(CH4)과 수증기(H20)를 포함한 합성 천연가스(SNG)를 생성하는 메탄화 반응이 일어난다. 이하, 설명의 편의를 위해 상기 합성 천연가스(SNG)는 메탄 가스(CH4)로 칭한다. 상기 메탄화 반응기(18)에서 생성된 메탄 가스(CH4)는 연료전지 공정을 위한 설비(30)로 유입된다. 도면부호 20은 상기 메탄화 반응기(18)에서 생성된 메탄가스(CH4)가 상기 연료전지(40)로 공급되는 유로이다.
상기 연료전지 공정을 위한 설비(30)는, 예열기(31), 연료전지(40), 연소기(32), 터빈(33) 그리고 응축기(34)를 포함한다.
상기 메탄화 반응기(18)에서 생성된 메탄 가스(CH4)는 예열기(31)에서 예열한 후, 상기 연료전지(40)로 유입된다. 본 실시예에서는 상기 연료전지(40)는 용융탄산염 연료전지(Molten Carbonate Fuel Cell, MCFC)인 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 다른 종류의 연료전지의 사용도 물론 가능하다. 상기 연료전지(40)는 개질기(41)와 스택을 포함하고, 상기 스택은 연료극인 애노드(Anode)(42), 공기극인 캐소드(Cathode)(43) 그리고 전해질(미도시)을 포함한다. 상기 개질기(41)에서는 수소(H2)를 생성하고, 상기 수소(H2)를 상기 애노드(42)로 공급한다. 상기 캐소드(43)에는 산소(O2) 및 이산화탄소(CO2)가 공급된다. 상기 캐소드(43)는 상기 공기분리 유닛(11)에서 분리된 산소(O2) 중 일부를 공급받고, 이산화탄소(CO2)는 별도로 외부에서 공급받는다. 상기 연료전지(40)에서 필요한 산소 공급을 위해 상기 합성천연가스 생성 공정(10)의 공기분리 유닛(11)이 사용되기 때문에, 산소 공급을 위한 별도의 설비가 필요하지 않으므로 설비 비용이 절감될 수 있다. 상기 연료전지(40)의 애노드(42)와 캐소드(43)에서는 상기 수소(H2), 상기 산소(O2) 및 상기 이산화탄소(CO2)에 의하여, 전기 및 물(H2O) 이 발생된다. 다만, 상기 연료전지(40)에서는 물만이 아니라, 유입된 가스 중 미반응 가스도 존재하는 바, 상기 연료전지(40)에서 나온 배출가스는 수소(H2), 이산화탄소(CO2), 일산화탄소(CO) 등을 포함한다.
상기 연료전지(40)에서 나온 배출가스는 상기 연소기(32)에서 연소되고, 상기 연소기(32)에서 나온 연소 가스를 이용해 터빈(33)을 구동한다. 상기 터빈(33)은 연소가스의 팽창에 의해 구동된다.
상기 터빈(33)에서 나온 배출가스를 응축기(34)에서 응축하고, 상기 응축기(34)에서는 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 배출된다. 여기에서, 배출된 이산화탄소(CO2)는 별도의 저장 시설에 저장되는 바, 대기로 배출되는 이산화탄소(CO2)가 최소화되고, 저장된 이산화탄소(CO2)는 별도의 용도로 이용될 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 제 1실시예에서는, 상기 합성천연가스 생성 공정에서 생성된 메탄 가스(CH4)를 상기 연료 전지(40)의 연료로 이용하여 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있고, 부산물인 이산화탄소(CO2)를 포집하여 저장할 수 있다.
도 2에서는 본 발명의 제 2실시예에 따른 합성천연가스 생성 공정을 위한 설비(10)와 연료전지 공정을 위한 설비(30)가 도시되어 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에서는 상기 메탄화 반응기(18)에서 생성된 합성가스(SNG)를 상기 연료전지(40)에 이용하는 구성은 상기 제 1실시예와 유사하나, 상기 연료전지(40)에서 배출되는 일산화탄소(CO)의 일부를 상기 수성가스전환 반응기(14)로 바이패스하여 재이용하는 것과 상기 응축기(34)에서 나온 이산화탄소(CO2)의 일부를 상기 연료전지(40)로 바이패스하여 재이용하는 것이 상이하다. 따라서, 유사구성에 대해 동일 부호를 사용하고 그에 따른 상세한 설명은 생략하고 상이점을 중심으로 설명한다.
상기 연료전지(40)에서 배출되는 일산화탄소(CO) 중 일부는 상기 수성가스전환 반응기(14)로 바이패스되어, 상기 메탄가스(CH4)를 만드는 데 재이용되고, 나머지는 상기 연소기(32)에서 연소시켜 상기 터빈(33)을 출력하도록 한다. 상기 연료전지(40)에서 나온 일산화탄소(CO) 중에서 상기 수성가스전환 반응기(14)로 바이패스되는 양은 상기 합성천연가스 생성 공정(10)에서 요구되는 양에 따라 적절히 조절될 수 있다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 상기 일산화탄소(CO)는 상기 수성가스전환 반응기(14)가 아니라 상기 가스 냉각기(15)의 전단이나 후단으로 바이패스되거나, 상기 산성가스 제거기(16) 또는 상기 메탄화반응기(18)로 직접 바이패스되어, 상기 메탄화반응기(18)에서 메탄을 생성하는데 직접 이용될 수도 있다. 도면부호 36은 상기 연료전지(40)에서 배출되는 일산화탄소(CO) 중 일부를 상기 수성가스전환 반응기(14)로 바이패스하는 유로이다.
상기 터빈(33)에서 나온 배기가스는 상기 응축기(34)에서 응축된다. 상기 응축기(34)에서는 이산화탄소(CO2)와 물(H2O)이 배출된다. 상기 응축기(34)에서 나오는 상기 이산화탄소(CO2) 중의 전체 또는 일부는 상기 연료전지(40)의 캐소드(43)로 바이패스하여 재이용하고, 나머지는 포집된다. 도면부호 38은 상기 응축기(34)에서 나온 상기 이산화탄소(CO2) 중의 전체 또는 일부는 상기 연료전지(40)의 캐소드(43)로 바이패스하는 유로이다.
상기와 같이, 상기 연료전지(40)에서 나온 배기가스 중 일산화탄소(CO)는 상기 수성가스전환 반응기(14)로 바이패스하여 상기 메탄가스를 만드는 데 이용하고, 이산화탄소(CO2)는 상기 연소기(32)에서 연소시킨 후 상기 연료전지(40)의 캐소드(43)로 보내 재이용함으로써, 에너지의 효과적인 이용이 가능하다.
또한, 이산화탄소(CO2) 배출량이 감소되어 환경 오염 문제의 발생이 저감될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
11: 공기분리유닛 12: 가스화기
14: 수성가스전환 반응기 16: 산성가스 제거기
18: 메탄화 반응기 31: 예열기
32: 연소기 33: 터빈
34: 응축기 40: 연료전지
42: 애노드 43: 캐소드

Claims (11)

  1. 공기를 이용해 공기 분리유닛에서 산소를 생성하는 단계와;
    상기 산소와 석탄을 이용해 가스화기에서 일산화탄소를 생성하는 단계와;
    상기 일산화탄소를 이용해 수성가스전환 반응기에서 수소를 생성하는 단계와;
    상기 수소와 일산화탄소를 이용하여 메탄화 반응기에서 메탄 가스를 생성하는 단계와;
    상기 메탄 가스를 연료전지에 공급하여 발전을 수행하는 단계를 포함하는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 분리유닛에서 나온 산소 중 일부는 상기 가스화기로 유입하고, 나머지는 상기 연료전지에 공급하여 이용하는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스화기에서 나온 일산화탄소 중 일부는 상기 수성가스전환 반응기로 공급하고, 나머지는 바이패스시켜 상기 메탄화 반응기로 공급하는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 바이패스된 일산화탄소를 가스냉각기에서 냉각하는 단계를 더 포함하는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 메탄화 반응기로 유입되기 전에, 이산화탄소와 산성 가스를 제거하는 단계를 더 포함하는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지에서 배출되는 일산화탄소를 상기 수성가스전환 반응기로 공급하여 재이용하고, 나머지는 연소기에서 연소시켜 터빈을 구동하는 데 사용하는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지는 용융탄산염 연료전지이고,
    상기 연료전지에서 나온 배출가스는 연소기에서 연소되고, 상기 연소 가스 중 이산화탄소의 전부 또는 일부는 상기 연료전지로 공급하여 재이용하는 합성천연가스 생성공정과 연료전지 공정의 연계방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 연료전지에서 나온 배출가스를 상기 연소기에서 연소하는 단계와,
    상기 연소기에서 나온 연소가스를 이용해 터빈을 구동하는 단계와,
    상기 터빈에서 나온 배출가스를 응축기에서 응축하는 단계를 더 포함하고,
    상기 응축기에서 나온 이산화탄소 중 일부를 상기 연료전지로 공급하여 재이용하고 나머지는 포집하는 합성천연가스 생성공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 연료전지는 용융탄산염 연료전지이고,
    상기 메탄 가스가 상기 연료전지로 유입되기 전에, 예열기에서 예열하는 단계와,
    상기 메탄 가스를 예열한 후, 개질기에서 수소를 추출하는 단계를 더 포함하는 합성천연가스 생성 공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  10. 공기를 이용해 공기 분리유닛에서 산소를 생성하는 단계와;
    상기 산소와 석탄을 이용해 가스화기에서 일산화탄소를 생성하는 단계와;
    상기 일산화탄소를 이용해 수성가스전환 반응기에서 수소를 생성하는 단계와;
    상기 수소와 일산화탄소를 이용하여 메탄화 반응기에서 메탄 가스를 생성하는 단계와;
    상기 메탄 가스를 연료전지에 공급하여 발전을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 공기 분리유닛에서 나온 산소 중 일부는 상기 가스화기로 유입하고, 나머지는 상기 연료전지에 공급하며,
    상기 연료전지에서 배출되는 일산화탄소의 일부를 상기 수성가스전환 반응기로 공급하여 재이용하는 합성천연가스 생성공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 연료전지는 용융탄산염 연료전지이고,
    상기 연료전지에서 배출되는 이산화탄소 중 일부를 상기 연료전지로 공급하여 재이용하는 합성천연가스 생성공정과 연료전지 공정의 연계 방법.
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