KR20210057559A - 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템 - Google Patents

원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 원료가스를 저장하는 저장탱크 및 원료가스를 이송하는 이송라인을 포함하는 원료가스 기화 시스템; 원료가스를 물과 반응시켜 수소를 생산하는 리포머, 리포머에 열을 가하는 버너 및 리포머에서 생성된 혼합가스에서 수소를 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 포함하는 개질 시스템; PSA로부터 혼합가스에서 수소가 제거된 오프가스를 공급받아 원료가스 기화 시스템의 이송라인과 열교환에 의하여 CO2를 액화시켜 제거하는 CO2 분리장치; 및 C02 분리장치에서 CO2가 제거되고 남은 기체를 연료로서 버너에 공급하는 기체 공급라인;을 포함하여 구성된다.

Description

원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템{Reforming System Linked to Raw Material Gas Vaporization System}
본 발명은 개질 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 개질 시스템과 원료가스 기화 시스템을 연계하여 개질기에서 발생한 오프가스에서 이산화탄소를 제거하여 리포머의 효율을 높이기 위한 개질 시스템에 관한 것이다.
수소는 연료로 사용할 경우 극소량의 질소산화물을 제외하면 환경에 유해한 생성물이 없고 고압가스, 액체가스 또는 금속수소화물 등의 다양한 형태로 저장이 용이하여 수소를 에너지원으로 이용하는 기술이 여러 분야에서 개발되고 있다. 수소의 제조방법은 수증기 개질이 가장 상용화된 기술로써 도시가스 등 천연가스를 원료로 하여 리포머를 통해 수소를 제조하여 사용한다. 천연가스 개질은 빠르고 값싸게 수소연료로 전환시키는 기술로 고효율화, 소형화, 경량화, 시동의 안정성 및 신속성 등 연료전지 보급의 핵심 기술이라 할 수 있다.
수증기 개질반응은 강한 흡열반응이므로 연료가스를 버너에서 연소시켜 리포머를 750℃이상 온도로 가열하여 반응에 필요한 열을 공급한다. 수증기-메탄 개질반응 후 생성된 가스에서 수소를 정제하기 위하여 압력 변동 흡착(PSA)에 의해 초고순도의 수소 가스를 생성한다. PSA의 오프가스는 버너로 유입되어 연료가스와 함께 가열반응에 사용된다.
한편, 액화천연가스(Liquefied Natural Gas, 이하 "LNG"라 함), 액화석유가스(Liquefied Petroleum Gas, 이하 "LPG"라 함) 등 원료가스가 저장된 저장탱크는 저장탱크 내에서 원료가스가 지속적으로 자연 기화되어 저장탱크 내부에 증발가스(Boil Off Gas, BOG)가 발생한다. BOG가 저장탱크 내에 축적되면 저장탱크의 압력이 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, 저장탱크 내에서 발생하는 BOG를 다양하게 처리하고 있다. BOG를 처리하는 다양한 방법이 개시되어 있으나, 재액화 가능한 비율은 한계가 있으므로 잉여의 BOG의 양이 많을 경우 연소시켜 소모하기도 한다.
기존과 같이 잉여의 BOG를 연소시킴으로써 BOG가 가진 화학 에너지를 연소에 의하여 소모하게 되므로 에너지 효율이 저하되고, 에너지가 낭비되는 문제점이 있었다. 또한, 상술한 PSA의 오프가스에는 CO2가 포함되어 연소에 필요한 에너지가 증가하고 요구되는 열교환기의 용량 크기가 증가하는 문제점이 있었다.
KR 10-2017-0011239
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 개질 시스템을 원료가스 기화 시스템과 연계하여 오프가스에서 이산화탄소를 액화시켜 제거하여 리포머의 효율을 높이고, 증발가스를 이용하여 수소를 생산하여 연료의 효율을 높일 수 있는 개질 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 원료가스를 저장하는 저장탱크 및 원료가스를 이송하는 이송라인을 포함하는 원료가스 기화 시스템; 원료가스를 물과 반응시켜 수소를 생산하는 리포머, 리포머에 열을 가하는 버너 및 리포머에서 생성된 혼합가스에서 수소를 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 포함하는 개질 시스템; PSA로부터 혼합가스에서 수소가 제거된 오프가스를 공급받아 원료가스 기화 시스템의 이송라인과 열교환에 의하여 CO2를 액화시켜 제거하는 CO2 분리장치; 및 C02 분리장치에서 CO2가 제거되고 남은 기체를 연료로서 버너에 공급하는 기체 공급라인;으로 구성될 수 있다.
상기 개질 시스템은 저장탱크에 저장된 원료가스가 기화하여 생성된 BOG(Boil Off Gas)가 이동하는 BOG 공급라인을 더 포함하고, 개질 시스템의 리포머는 BOG 공급라인으로부터 공급받은 BOG를 원료가스로 사용하여 물과 반응시켜 수소를 생산할 수 있다.
상기 원료가스 기화 시스템은 오프가스와 열교환된 원료가스를 기화시키는 기화장치를 더 포함할 수 있다.
상기 CO2 분리장치는 PSA에서 배출되는 오프가스를 압축하는 오프가스 압축기를 포함할 수 있고, 오프가스 압축기는 오프가스의 압력을 20barg 이상 30barg 미만으로 압축할 수 있다.
또한, CO2 분리장치는 원료가스 기화 시스템의 이송라인과 오프가스 공급라인이 연결되어 원료가스의 냉열을 냉매로 하여 오프가스를 냉각시키는 원료가스-오프가스 열교환기를 포함할 수 있다.
또한, CO2 분리장치는 오프가스에서 액화된 CO2를 분리하는 CO2 분리기 또는 액화된 CO2를 저장하는 CO2 탱크를 포함할 수 있다.
또한, 오프가스가 원료가스 시스템과 열교환할 때 오프가스의 온도를 -40℃이하 -50℃이상으로 냉각시킬 수 있다.
상기 원료가스 기화 시스템은 저장탱크의 BOG를 압축하여 BOG 공급라인으로 고압의 BOG가 흐르도록 하는 BOG 압축기를 포함하고, 저장탱크와 연결되어 원료가스를 압축하여 전송하는 제1펌프 및 BOG 압축기를 통과한 BOG의 일부는 BOG 공급라인으로 흐르고 나머지는 제1펌프에 의하여 전송된 원료가스와 혼합하여 BOG의 일부를 재액화하는 석션드럼을 더 포함할 수 있다. 또한, 제1펌프는 원료가스를 1barg 이상 10barg 이하로 압축할 수 있다.
또한, 석션드럼과 연결되어 석션드럼을 통과한 원료가스를 압축하여 전송하는 제2펌프를 더 포함하여 고압의 원료가스를 오프가스와 열교환 할 수 있고, 제2펌프는 원료가스를 10barg 이상 100barg 이하로 압축할 수 있다.
상기 개질 시스템은 물을 공급하는 물 공급장치 및 물에 열을 가하여 기화시키고 기화된 물을 리포머로 공급하는 복수의 물 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 개질 시스템은 리포머를 통과한 혼합가스를 냉각수와 열교환 하여 냉각시키는 혼합가스 열교환기를 더 포함할 수 있고, 리포머에서 생성된 CO를 반응시켜 수소를 생산하는 변성기를 더 포함하여 구성될 수 있다
본 발명은 개질 시스템의 리포머에서 배출되는 오프가스의 CO2 배출량을 저감하여 버너로 인입되는 CO2를 제거함으로써 CO2 가열에 필요한 열낭비를 줄일 수 있다. 또한, 원료가스 기화 시스템에서 발생하는 잉여의 BOG를 연소시켜 소모하는 대신 수소생산에 사용함으로써 연료 효율을 높여 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 개질 시스템의 구성도,
도 2는 원료가스 기화 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템의 구성도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템의 CO2 분리장치의 구성도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템의 CO2 분리장치의 환경조건에 따른 CO2의 액화 가능 비율을 나타내는 그래프,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템의 CO2 분리장치의 환경조건에 따른 리포머 시스템의 효율을 나타내는 그래프이다.
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.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명은 원료가스 기화 시스템(200)과 개질 시스템(100)을 연계하여 증발가스(Boil Off Gas, BOG)를 활용하여 수소를 생산함으로써 경제성을 높이고, 오프가스에서 이산화탄소를 제거함으로써 개질 시스템(100)의 효율을 높이기 위한 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템(100)에 관한 발명이다.
도 1은 개질 시스템(100)의 구성도로, 도 1을 참조하여 일반적인 개질 시스템(100)을 간단히 설명하면 다음과 같다.
도 1을 참조하면, 개질 시스템(100)은 원료가스(10), 원료가스 압축기(110), 리포머(120), 변성기(180), 물(20), 물 공급장치(150), 복수의 열교환기(161, 162, 163, 164), PSA(Pressure Swing Adsorption, 130)로 구성된다. 원료가스는 LNG, LPG 등 액화상태로 이송되어 기화되는 다양한 원료가스로 구성될 수 있다.
개질 시스템(100)은 원료가스(10)를 물(20)과 반응시켜 수소(30)를 생산하는 시스템으로, 개질반응이 일어나는 리포머(120)에서의 화학 반응은 다음과 같다.
CH4 + H20 →CO + 3H2
메탄-수증기 개질반응은 강한 흡열반응이다. 따라서 고온의 조건에서 정반응이 활발하게 일어나므로 리포머(120)에 반응열을 공급하는 버너(140)를 포함하여 구성된다. 종래의 개질 시스템(100)에서는 버너(140)에서 도시가스 등의 원료가스(10)와 PSA(130)에서 배출되는 오프가스를 연료로 연소시켜 리포머(120)에 반응열을 공급한다. 또한, 원료가스(10)는 액체상태인 원료가스(10)가 기화하여 발생하는 BOG(Boil Off Gas)가 될 수도 있다.
개질 시스템(100)에서는 탄화수소가 개질되면서 수소(30)와 함께 일산화탄소를 생성하게 된다. 일산화탄소는 연료전지 스택의 전극에 사용되는 촉매에 촉매독으로 작용되기 때문에 일산화탄소를 제거하는 공정이 필요할 수 있다. 일반적으로 일산화탄소를 제거하는 반응은 아래의 반응식과 같은 시프트 반응을 이용한다.
CO + H2O →CO2 + H2
종래의 개질 시스템(100)은 오프가스를 버너(140)에 공급하여 연소시키는 구성으로 이루어져 오프가스에 포함된 이산화탄소도 함께 가열시켜야 하므로 열낭비의 문제가 있고, 배출가스에 이산화탄소가 포함되어 요구되는 열교환기의 열용량이 커지는 문제가 있었다.
도 2는 원료가스 기화 시스템(200)의 구성도로, 도 2를 참조하여 일반적인 원료가스 기화 시스템(200)을 간단히 설명하면 다음과 같다.
원료가스 기화 시스템(200)은 -160℃이하의 극저온의 LNG와 같은 원료가스(10)를 가압, 기화시켜 에너지를 필요로 하는 수요처(270)로 공급하기 위한 시스템이다. 원료가스 기화 시스템(200)은 저장탱크(210), 제1펌프(221), 석션드럼(240), 제2펌프(222), 기화장치(250)로 구성될 수 있으며, 저장탱크(210)에 생성된 BOG를 처리하기 위하여 BOG 압축기(230) 및 BOG 재액화 장치(260)를 포함할 수 있다.
저장탱크(210)는 단열처리가 되어 있더라도 외부의 열이 저장탱크(210)에 지속적으로 전달되므로 저장탱크(210) 내에서 원료가스(10)가 지속적으로 자연 기화되어 저장탱크(210) 내부에 BOG가 발생한다.
BOG가 저장탱크(210) 내에 축적되면 저장탱크(210)의 압력이 상승하여 탱크가 파손될 위험이 있으므로, 저장탱크(210) 내에서 발생하는 BOG를 다양하게 처리하고 있다. 대표적으로 BOG를 재액화 장치(260)를 통해 재액화 시켜 저장탱크(210)로 회수하는 방법, 석션드럼(240)을 통해 고압으로 운송되는 원료가스(10)와 혼합하여 재액화 시키는 방법, 발전용 연료로 사용하여 자체 발전기(280)에서 소모하는 방법이 사용되지만, 잉여의 BOG의 양이 많을 경우 연소장치(290)에서 연소시켜 소모하는 방법이 있다.
잉여의 BOG를 연소시켜 소모함으로써 BOG에 포함되어 있는 화학 에너지를 연소에 의하여 소모하는 문제가 있었고, 연소과정에서 다량의 CO2가 발생하여 환경오염의 문제도 있었다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템의 구성도이다.
도 3을 참조하면 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템은 원료가스(10)를 저장하는 저장탱크(210) 및 원료가스(10)를 이송하는 이송라인을 포함하는 원료가스 기화 시스템(200), 원료가스(10)를 물(20)과 반응시켜 수소(30)를 생산하는 리포머(120), 리포머(120)에 열을 가하는 버너(140) 및 리포머(120)에서 생성된 혼합가스에서 수소(30)를 분리하는 PSA(130)를 포함하는 개질 시스템, PSA(130)로부터 혼합가스에서 수소(30)가 제거된 오프가스를 공급받아 원료가스 기화 시스템(200)의 이송라인과 열교환에 의하여 CO2를 액화시켜 제거하는 CO2 분리장치(300) 및 C02 분리장치(300)에서 CO2가 제거되고 남은 기체를 연료로서 버너(140)에 공급하는 기체 공급라인(331)으로 구성될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템은 개질 시스템에서 발생하는 오프가스에서 원료가스 기화 시스템과 연계하여 열교환을 통해 CO2를 액화시켜 제거할 수 있다. PSA(130)에서 배출되는 오프가스를 버너(140)로 공급하여 연소시키기 전에 오프가스에 포함되어 있는 CO2를 액화시키기 위하여 원료가스 기화 시스템과 열교환하는 CO2 분리장치(300)를 포함할 수 있다.
원료가스 기화시스템에서 원료가스(10)는 기화되기 전까지 극저온의 액체 상태이므로 CO2를 액화시킬 수 있다. 이를 위하여 CO2 분리장치(300)는 PSA(130)에서 배출되는 오프가스를 원료가스 기화 시스템(200)에 연결하도록 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템은 저장탱크(210)에 저장된 원료가스(10)가 기화하여 생성된 BOG가 이동하는 BOG 공급라인(11)을 더 포함하고, 개질 시스템의 리포머(120)는 BOG 공급라인(11)으로부터 공급받은 BOG를 원료가스(10)로 사용하여 물(20)과 반응시켜 수소(30)를 생산하도록 구성될 수 있다.
상술한 바와 같이 BOG는 원료가스(10)가 기화하여 발생한 것으로 탄화수소로 이루어진 기체이므로 개질 시스템에 원료가스(10)로 공급하여 수소(30)를 생산할 수 있다. 저장탱크(210)에 발생한 BOG는 BOG 공급라인(11)에 의하여 개질 시스템으로 유입되고, 유입된 BOG를 개질하여 수소(30)를 생산함으로써 BOG에서 수소(30)를 생산하여 연료의 효율을 높일 수 있다.
원료가스 기화 시스템은 BOG를 압축하여 BOG 공급라인(11)으로 고압의 BOG가 흐르도록 하는 BOG 압축기(230)를 더 포함할 수 있다. BOG 압축기(230)에 의하여 BOG를 1barg 이상 10 barg 이하로 압축할 수 있다.
또한, 원료가스 기화 시스템은 저장탱크(210)와 연결되어 원료가스(10)를 압축하여 전송하는 제1펌프(221) 및 BOG 압축기(230)를 통과한 BOG의 일부는 BOG 공급라인(11)으로 흐르고 나머지는 제1펌프(221)에 의하여 전송된 원료가스(10)와 혼합하여 BOG의 일부를 재액화하는 석션드럼(240)을 포함할 수 있다. 석션드럼(240)에서 BOG와 원료가스(10)를 혼합하여 BOG를 재액화하여 연료 효율을 높일 수 있다. 제1펌프는 원료가스(10)를 1barg 이상 10barg 이하로 압축할 수 있다.
또한, 석션드럼(240)과 연결되어 석션드럼(240)을 통과한 원료가스(10)를 압축하여 전송하는 제2펌프(222)를 더 포함하여 원료가스(10)를 고압으로 압축할 수 있다. 제2펌프는 원료가스(10)를 10barg 이상 100barg 이하로 압축할 수 있다.
또한, 원료가스 기화 시스템(200)은 오프가스와 열교환된 원료가스(10)를 기화시키는 기화장치(250)를 더 포함할 수 있다. 기화장치(250)는 LNG 기화에 적용되는 다양한 기화장치(250)일 수 있으며 일반적인 해수식 기화기 또는 수중 연소기 등으로 구성될 수 있다.
개질 시스템은 물(20)을 공급하는 물 공급장치(150) 및 물에 열을 가하여 기화시키고 기화된 물을 리포머(120)로 공급하는 복수의 물 열교환기(161, 162, 163, 164)를 포함할 수 있다. 개질반응에 필요한 물(20)은 순수한 물인 초순수(ultrapure water)일 수 있다.
또한, 개질 시스템(100)은 리포머(120)를 통과한 혼합가스를 냉각수와 열교환 하여 냉각시키는 혼합가스 열교환기(170)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 혼합가스 열교환기(170)는 개질과정에서 승온된 혼합가스의 온도를 낮출 수 있다. 혼합가스 열교환기(170)의 크기는 리포머(120)에서 배출되는 혼합가스의 양에 따라서 결정되는데, 혼합가스의 양이 감소하면 혼합가스 열교환기(170)의 크기도 감소할 수 있다.
또한, 개질 시스템(100)은 리포머(120)에서 생성된 CO를 반응시켜 수소(30)를 생산하는 변성기(180)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 변성기(180)는 상술한 반응식과 같이 CO를 물(20)과 반응시켜 수소(30)를 생산하는 장치로 CO를 제거하고 수소(30)를 생산할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템(100)의 CO2 분리장치(300)의 구성도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템의 CO2 분리장치의 환경조건에 따른 CO2의 액화 가능 비율을 나타내는 그래프이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템의 CO2 분리장치의 환경조건에 따른 리포머 시스템의 효율을 나타내는 그래프이다.
도 4 내지 도 6을 참조하여 CO2 분리장치(300)를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
CO2 분리장치(300)는 오프가스 압축기(310), 원료가스-오프가스 열교환기(320), CO2 분리기(330), CO2 탱크(340)로 구성될 수 있다.
CO2는 삼중점(triple point) 이하의 압력에서 냉각을 하면 액체상태를 거치지 않고 승화하기 때문에 액화를 위해서는 삼중점 이상의 압력과 삼중점 이상의 온도에서 액화를 진행하여야 한다. CO2의 삼중점 압력은 4.2barg이고 삼중점 온도는 -57℃이다. 따라서 CO2 분리장치(300)에서 CO2의 압력은 4.2barg 이상, 온도는 -57℃이상이 되어야 한다.
오프가스 압축기(310)는 PSA(130)에서 배출된 오프가스를 고압으로 압축하는 장치이다. 오프가스를 공급받기 위하여 PSA(130)와 연결될 수 있다.
도 5 및 도 6에서 오프가스 압축기(310)에서 오프가스를 압축한 압력에 따라 CO2의 액화 가능 비율과 리포머(120) 시스템의 효율을 도시하고 있다. 각각의 그래프는 50barg로 압축한 경우(400), 40barg로 압축한 경우(500), 30barg로 압축한 경우(600), 20barg로 압축한 경우(700), 10barg로 압축한 경우(800)의 CO2 액화 가능 비율 및 리포머(120) 시스템 효율을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 오프가스 압축기(310)에서 압축되는 오프가스의 압력이 상승할수록 CO2의 액화 가능 비율이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 압력이 상승하면 CO2의 삼중점 압력과 차이가 점차 증가하므로 액화 가능한 온도영역이 증가하기 때문이다.
그러나 도 6을 참조하면, 오프가스의 압력이 특정 압력을 넘어서게 되면 리포머(120) 시스템의 효율은 낮아지게 됨을 확인할 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, -40℃에서는 50barg로 압축한 경우(400) 리포머(120) 시스템의 효율이 30barg로 압축한 경우(600) 및 20barg로 압축한 경우(700)보다 더 낮게 나타난다. 이는 고압으로 압축된 오프가스가 기체 공급라인(331)을 통해 버너(140)에 주입되면서 좁은 구멍을 통과할 때 등엔탈피 팽창되어 CO2의 온도가 감소하는 Joule-Thomson 효과 때문이다. 따라서 CO2의 액화비율과 리포머(120) 시스템 효율을 고려하여 적절한 압력으로 오프가스를 압축해야 하며, 바람직한 압력은 20barg 이상 30barg 미만의 압력이다.
원료가스-오프가스 열교환기(320)는 극저온의 원료가스(10)와 오프가스가 열교환하는 장치이다. 원료가스-오프가스 열교환기(320)는 원료가스 기화 시스템의 이송라인과 오프가스 공급라인이 연결될 수 있다. 따라서 원료가스 기화 시스템의 원료가스(10)와 CO2 분리장치(300)의 오프가스가 열교환하게 된다. 원료가스(10)의 냉열을 냉매로 하여 오프가스를 냉각시켜 CO2를 액화시킬 수 있다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 오프가스가 원료가스 기화 시스템과 열교환할 때 오프가스의 냉각온도가 낮을수록 CO2 액화 가능 비율과 리포며 효율이 상승하게 된다. 그러나 도 6을 참조하면, 오프가스의 냉각온도가 특정 온도 이하가 되면 리포머(120) 시스템 효율이 감소할 수 있다. 따라서 CO2의 액화비율과 리포머(120) 시스템 효율을 고려하여 적절한 온도로 오프가스를 냉각해야 하며, 바람직한 냉각온도는 -40℃이하 -50℃이상의 온도이다.
결과적으로, 도 5 및 도 6을 참조하여 CO2 액화비율 및 리포머(120) 시스템 효율을 고려할 때 CO2 분리장치(300)의 바람직한 조건은 20barg 이상 30barg 미만의 압력과 -40℃이하 -50℃이상의 냉각온도가 된다.
CO2 분리기(330)는 오프가스가 원료가스 기화 시스템과 열교환하여 CO2가 액화된 후 액화된 CO2를 분리하는 장치이고, CO2 탱크(340)는 오프가스에서 액화된 CO2를 저장하는 장치이다. CO2 분리기(330) 및 CO2 탱크(340)에 의하여 오프가스에서 분리되어 액화된 CO2를 별도로 관리할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 원료가스 기화 시스템은 오프가스의 CO2를 제거하여 리포머(120)의 CO2 배출량을 45% 저감할 수 있다. 또한, CO2를 제거하여 버너(140)의 배출가스 양이 감소하므로, 혼합가스 열교환기(170)의 크기를 9% 감소할 수 있다. 그리고 잉여의 BOG를 연소하여 소모하지 않고 수소(30)를 생산하는데 사용 함으로써 연료의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 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 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
10 : 원료가스
11 : BOG 공급라인
20 : 물
30 : 수소
100 : 개질 시스템
110 : 원료가스 압축기
120 : 리포머
130 : PSA
140 : 버너
150 : 물 공급장치
161, 162, 163, 164 : 물 열교환기
170 : 혼합가스 열교환기
180 : 변성기
200 : 원료가스 기화 시스템
210 : 저장탱크
221 : 제1펌프
222 : 제2펌프
230 : BOG 압축기
240 : 석션드럼
250 : 기화장치
260 : 재액화 장치
270 : 수요처
280 : 발전기
290 : 연소장치
300 : C02 분리장치
310 : 오프가스 압축기
320 : 원료가스-오프가스 열교환기
330 : C02 분리기
331 : 기체 공급라인
340 : CO2 탱크

Claims (17)

  1. 원료가스를 저장하는 저장탱크 및 원료가스를 이송하는 이송라인을 포함하는 원료가스 기화 시스템;
    원료가스를 물과 반응시켜 수소를 생산하는 리포머, 리포머에 열을 가하는 버너 및 리포머에서 생성된 혼합가스에서 수소를 분리하는 PSA(Pressure Swing Adsorption)를 포함하는 개질 시스템;
    PSA로부터 혼합가스에서 수소가 제거된 오프가스를 공급받아 원료가스 기화 시스템의 이송라인과 열교환에 의하여 CO2를 액화시켜 제거하는 CO2 분리장치; 및
    C02 분리장치에서 CO2가 제거되고 남은 기체를 연료로서 버너에 공급하는 기체 공급라인;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    개질 시스템은 저장탱크에 저장된 원료가스가 기화하여 생성된 BOG(Boil Off Gas)가 이동하는 BOG 공급라인을 더 포함하고,
    개질 시스템의 리포머는 BOG 공급라인으로부터 공급받은 BOG를 원료가스로 사용하여 물과 반응시켜 수소를 생산하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    원료가스 기화 시스템은 오프가스와 열교환된 원료가스를 기화시키는 기화장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    CO2 분리장치는 PSA에서 배출되는 오프가스를 압축하는 오프가스 압축기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    오프가스 압축기는 오프가스의 압력을 20barg 이상 30barg 미만으로 압축하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    CO2 분리장치는 원료가스 기화 시스템의 이송라인과 오프가스 공급라인이 연결되어 원료가스의 냉열을 냉매로 하여 오프가스를 냉각시키는 원료가스-오프가스 열교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    CO2 분리장치는 오프가스에서 액화된 CO2를 분리하는 CO2 분리기를 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  8. 청구항 1에 있어서,
    CO2분리장치는 액화된 CO2를 저장하는 CO2 탱크를 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  9. 청구항 1에 있어서,
    오프가스가 원료가스 시스템과 열교환할 때 오프가스의 온도를 -40℃이하 -50℃이상으로 냉각시키는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  10. 청구항 1에 있어서,
    원료가스 기화 시스템은 저장탱크의 BOG를 압축하여 BOG 공급라인으로 고압의 BOG가 흐르도록 하는 BOG 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  11. 청구항 10에 있어서,
    원료가스 기화 시스템은 저장탱크와 연결되어 원료가스를 압축하여 전송하는 제1펌프 및 BOG 압축기를 통과한 BOG의 일부는 BOG 공급라인으로 흐르고 나머지는 제1펌프에 의하여 전송된 원료가스와 혼합하여 BOG의 일부를 재액화하는 석션드럼을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    제1펌프는 원료가스를 1barg 이상 10barg 이하로 압축하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  13. 청구항 11에 있어서,
    석션드럼과 연결되어 석션드럼을 통과한 원료가스를 압축하여 전송하는 제2펌프를 더 포함하여 고압의 원료가스를 오프가스와 열교환 하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  14. 청구항 13에 있어서,
    제2펌프는 원료가스를 10barg 이상 100barg 이하로 압축하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  15. 청구항 1에 있어서,
    개질 시스템은 물을 공급하는 물 공급장치 및 물에 열을 가하여 기화시키고 기화된 물을 리포머로 공급하는 복수의 물 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  16. 청구항 1에 있어서,
    개질 시스템은 리포머를 통과한 혼합가스를 냉각수와 열교환 하여 냉각시키는 혼합가스 열교환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
  17. 청구항 1에 있어서,
    개질 시스템은 리포머에서 생성된 CO를 반응시켜 수소를 생산하는 변성기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 원료가스 기화 시스템과 연계된 개질 시스템.
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