KR20230154824A - 기체 연료의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
(a) 암모니아의 기체상 스트림을 제공하는 단계;
(b) 암모니아의 기체상 스트림을 제1 및 제2 서브스트림으로 분할하는 단계;
(c) 제1 서브스트림을 고체 산화물 연료 전지에 도입하는 단계;
(d) 제1 서브스트림의 기체상 암모니아를 고체 산화물 연료 전지에서 수행된 전기화학 반응에 의해 생성된 열에 의해 수소와 질소로 분해하는 단계;
(e) 단계 (d)에서 형성된 수소와 질소를 함유하는 고체 산화물 연료 전지로부터의 오프가스를 회수하는 단계;
(f) 오프가스를 기체상 암모니아의 제2 서브스트림과 혼합하여 기체 연료를 제공하는 단계
를 포함하고, 고체 산화물 연료 전지가 35 내지 70%의 연료 이용률로 작동되는, 기체 연료의 제조 방법.
(b) 암모니아의 기체상 스트림을 제1 및 제2 서브스트림으로 분할하는 단계;
(c) 제1 서브스트림을 고체 산화물 연료 전지에 도입하는 단계;
(d) 제1 서브스트림의 기체상 암모니아를 고체 산화물 연료 전지에서 수행된 전기화학 반응에 의해 생성된 열에 의해 수소와 질소로 분해하는 단계;
(e) 단계 (d)에서 형성된 수소와 질소를 함유하는 고체 산화물 연료 전지로부터의 오프가스를 회수하는 단계;
(f) 오프가스를 기체상 암모니아의 제2 서브스트림과 혼합하여 기체 연료를 제공하는 단계
를 포함하고, 고체 산화물 연료 전지가 35 내지 70%의 연료 이용률로 작동되는, 기체 연료의 제조 방법.
Description
본 발명은 암모니아 및 수소를 기반으로 하는 기체 연료의 제조 방법에 관한 것이다.
더 구체적으로, 본 발명에 의해 기체 연료는 고체 산화물 연료 전지에서 암모니아 원료의 일부를 수소와 질소로 분해함으로써 제조되며, 이때 연료 전지는 감소된 연료 이용률로 작동되고, 연료 전지로부터의 수소 및 질소 함유 오프가스는 나머지 암모니아 원료와 혼합되어 가스 연료가 된다. 이 방식으로 가스 엔진용 유용한 연료가 제조된다.
현재 연소 엔진, 가스 터빈 또는 연료 전지에서 전력을 생산하기 위해 재생 암모니아를 연료로 사용하는 것에 대한 관심이 급속히 증가하고 있다.
연소 엔진은 연소 특성이 좋지 않아 순수한 암모니아로는 작동할 수 없어 더 나은 특성을 가진 다른 연료를 함께 공급해야 합니다.
따라서, 연구는 암모니아와 함께 수소를 동시 연소시키는데 중점을 두었다. 수소는 연소 엔진 상류의 전용 분해 유닛에서 암모니아의 일부를 분해함으로써 편리하게 생성될 수 있다. 그러나, 이러한 분해 유닛는 고가이며, 처리된 암모니아에서 낮은 발열량의 최대 13%를 사용한다.
또한, 고체 산화물 연료 전지(SOFC)는 매우 높은 효율로 독립형 플랜트에서 암모니아를 열과 전력으로 전환하는데 사용할 수 있다. SOFC 플랜트는 불운하게도 가스 엔진에 비해 자본 비용이 훨씬 더 높다. 그러나, SOFC 스택은 연료 전지 작동으로부터 생긴 폐열을 활용하여 암모니아 분해를 유도하는 동시에 전력을 생산하는 매우 효율적인 암모니아 분해장치로 작동한다.
앞서 이미 언급된 대로, 연소 엔진은 순수한 암모니아로는 작동할 수 없다. 이것은 전용 암모니아 분해 유닛에서 암모니아의 일부를 수소와 질소로 분해함으로써 해결될 수 있다. 그러나, 이것은 상당한 투자를 요하며 효율 손실을 수반한다. 대안으로서, 예를 들어 DME 같은 상이한 연료가 연소 특성 증진제로 사용될 수 있지만, 이것은 저장 시설을 포함한 이중 연료 시스템을 필요로 하며, 대안의 연료도 또한 재생 공급원으로부터 생성된다면 암모니아보다 더 비쌀 가능성이 높다.
SOFC의 연료로 암모니아를 사용하는 발전은 잘 알려져 있으며, 미반응 애노드 오프가스를 전환하기 위해 가스 엔진을 사용하는 것도 제안되었다. 그러나, 초점은 항상 SOFC의 전기 출력과 효율을 극대화하는 것이었다.
본 발명은 SOFC의 연료 이용률을 낮은 범위로 유지할 때 충분한 암모니아가 SOFC에서 전환되도록 가스 엔진과 함께 암모니아를 수소와 질소로 분해하는 SOFC의 능력을 사용하는데 기초한다. 이로써, 가스 엔진에 대해 연료 혼합물 중의 최소량의 수소가 SOFC 플랜트로부터의 미전환 오프가스에 의해 제공됩니다.
따라서, 본 발명은
(a) 암모니아의 기체상 스트림을 제공하는 단계;
(b) 암모니아의 기체상 스트림을 제1 및 제2 서브스트림으로 분할하는 단계;
(c) 제1 서브스트림을 고체 산화물 연료 전지에 도입하는 단계;
(d) 제1 서브스트림의 기체상 암모니아를 고체 산화물 연료 전지에서 수행된 전기화학 반응에 의해 생성된 열에 의해 수소와 질소로 분해하는 단계;
(e) 단계 (d)에서 형성된 수소와 질소를 함유하는 고체 산화물 연료 전지로부터의 오프가스를 회수하는 단계;
(f) 오프가스를 기체상 암모니아의 제2 서브스트림과 혼합하여 기체 연료를 제공하는 단계
를 포함하고, 고체 산화물 연료 전지가 35 내지 70%의 연료 이용률로 작동되는, 기체 연료의 제조 방법을 제공한다.
암모니아를 SOFC의 연료로 사용할 때 애노드 챔버에서는 두 가지 반응이 일어난다:
NH3 = 0.5 N2 +1.5 H2 ΔHNH3 Crack = 247.87 kJ/mol
(1)
1.5 H2 + 0.75 O2 = 1.5 H2O ΔHH2Ox = 56.69 kJ/mol
(2)
연료 이용률, 즉 SOFC에서 전환된 암모니아와 수소의 양은 다음과 같이 정의된다:
예로서 0.7, 0.8 및 0.9 V의 작동 전압에서 최소 연료 이용률은 각각 33.5%, 40.4% 및 50.9%가 얻어진다.
본 발명은 다음의 이점을 제공한다:
- 전용 분해 유닛에 대한 투자가 필요하지 않다.
- 분해 반응을 추진하기 위해 암모니아의 기생 손실이 없다. 반면, 암모니아를 수소와 질소로 전환하면서 전력이 생성된다.
- SOFC 유닛은 낮은 연료 이용률(암모니아 및 수소 전환율)로 작동할 수 있으므로 SOFC 스택에 대한 투자가 적어진다.
- SOFC의 낮은 연료 이용률로 인해 캐소드 측에서 과잉 공기 흐름에 의해 제거되어야 하는 폐열이 적어지고, 이것은 공기 압축기 및 캐소드 원료/유출물 교환에 대한 비용절감으로 이어진다.
한 실시형태에서, 암모니아의 기체상 스트림은 가압된 액체 암모니아 공급원으로부터 제공되며, 이것은 익스팬더에서 가열 및 팽창되어 암모니아의 기체상 스트림을 형성한다.
한 실시형태에서, 고체 산화물 연료 전지로부터 오프가스의 일부는 연료 전지의 애노드로 재순환된다.
익스팬더에서 가압된 암모니아를 팽창시키면 전기 에너지가 익스팬더에서 생성될 수 있다. 전기 에너지는 본 발명에 따른 방법에서 다수의 장치를 구동하는데 활용될 수 있다.
따라서, 한 실시형태에서, 전기 에너지가 익스팬더에서 발생된다.
한 실시형태에서, 전기 에너지는 고체 산화물 연료 전지의 캐소드 챔버에 공기를 불어넣는 송풍기의 작동에 활용된다.
한 실시형태에서, 전기 에너지는 고체 산화물 연료 전지로부터 오프가스의 일부를 연료 전지의 애노드 챔버로 재순환시키기 위한 압축기의 작동에 활용된다.
본 발명은 해상 선박에 설치된 엔진용 가스 연료의 제조 및 기존 엔진용 가스 연료 시스템의 개조에 유익하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명은 열병합 발전소를 운영하는데 유용하다.
본 발명은 도 1을 참조하여 더 자세히 설명되며, 이것은 본 발명의 특정 실시형태에 따른 방법을 보여주는 흐름도이다.
공급원료는 가압 탱크에서 채취되거나 액체 냉장 암모니아 형태로 펌프되는 가압 암모니아이다. 암모니아는 가스 엔진 배기가스의 현열에 의해 열교환기 E1에서 기화되고, 열교환기 E2에서 동일한 배기가스에 의해 더 가열된 후, 터보익스팬더에서 거의 대기압까지 팽창된다.
이 익스팬더는 전력을 생성하는데 사용되며, 암모니아 플랜트에서 암모니아를 응축하는데 투자된 엑서지를 사용한다. 암모니아의 일부는 이후 선택적 냉각기인 E9를 통해 가스 엔진으로 보내진다. 다음에, 나머지 암모니아는 SOFC의 애노드로부터 재순환된 가스와 혼합되고, 이후 원료/유출물 열교환기 E3에서 SOFC의 작동 온도로 가열된다. 암모니아와 재순환된 애노드 오프가스는 SOFC의 애노드 챔버에서 전기와 열로 전환된다. 암모니아는 결과의 수소의 산화로 인한 폐열에 의해 애노드 챔버에서 효과적으로 분해될 것이다.
SOFC에서 수소 전환율은 주요 목적이 가스 엔진에 수소를 공급하는 것이므로 의도적으로 낮게 유지된다.
SOFC를 빠져나온 후 애노드 오프가스는 애노드 원료/유출물 교환기 E3에서 냉각되고, 이후 두 개의 스트림(2081 및 1070)으로 분할된다. 다음에, 작은 스트림(2081)은 애노드 재순환 원료/유출물 열교환기 E200, 및 냉각기 E100에서 차례로 더 냉각된 후, 애노드 재순환 가스 송풍기로 들어간다.
아래 반응에 따른 순수한 암모니아에 의한 질화로 인한 재료 열화를 방지하기 위해 수소 부화 가스를 E3 및 SOFC에 다시 공급하기 위해 애노드 재순환 스트림이 제공된다:
3 Ni + NH3 = Ni3N + 1.5 H2
나머지 애노드 오프가스 스트림(1070)은 교환기 E7에서 냉각되고, SOFC에서 수소의 산화에 의해 형성된 물은 분리기에서 분리된 후, 스트림(1016)에서 SOFC를 우회하는 암모니아와 혼합된다.
적절한 양의 공기가 연료 스트림에 첨가되고, 혼합물은 가스 엔진에서 연소되어 (전기) 전력과 고온 배기가스를 제공한다. 배기가스는 열 교환기 E2에서 암모니아를 예열하는데 사용되고, 이후 냉각기 E5에서 더 냉각되어 최종적으로 E1에서 암모니아를 증발시키는데 사용된다.
SOFC의 캐소드 챔버에서 공기는 공기 송풍기에 의해 제공되고 캐소드 원료/유출물 열교환기 E4로 보내지며, 여기서 최대 SOFC의 작동 온도까지 온도가 올라간다. SOFC 캐소드를 떠나는 고갈된 공기는 E4에서 예열에 사용되고 최종적으로 냉각기 E6에서 냉각된다.
E, E6, E100 및 E7에서 방출된 열은 지역난방에 사용될 수 있다.
본 발명은 현재 SOFC에 대한 자본 투자가 매우 높기 때문에 조합된 SOFC + 가스 엔진 시스템의 투자를 최소화하는데 집중한다. 따라서, 작동 방식은 SOFC에서 낮은 연료 이용률을 갖도록 변경되며, 이것은 최소한의 수소를 가스 엔진에 제공하는 동시에 SOFC 전체에 충분한 온도 증가를 제공하기에 충분하며, 이로써 열교환 표면이 과도하게 커지지 않는 상태에서 열교환기 E3 및 E4가 작동할 수 있다. 실제로 낮은 연료 이용률은 다른 이점들도 제공하는데, 공기 스트림에 의해 제거되어야 하는 폐열의 양이 저감되며, 이것은 연료 이용률이 높은 SOFC와 비교하여 공기 송풍기 및 교환기 E4의 크기 및 투자비용을 감소시킨다. 또한, 공기 송풍기에 의해 사용되는 기생 전력이 감소된다. 가스 엔진에 수소를 제공하는 암모니아 분해장치를 갖춘 시스템과 비교할 때, 분해장치에 대한 투자는 물론 반응을 추진하기 위한 연료의 기생 사용도 방지된다. 반면, SOFC에 의해 암모니아 분해기로서의 기능과 병행하여 고 효율로 생성되는 전력이 제공된다.
실시예
도 1을 참조하면, 본 발명을 수행하는 방법을 설명하고, 그 결과를 SOFC에서 연료 이용률을 높임으로써 전기 효율을 최대화하도록 설계된 SOFC + 가스 엔진 플랜트의 작동과 비교하기 위해 상세한 계산이 수행되었다. 10 MW의 낮은 발열량과 가스 엔진 원료에서 암모니아의 15 vol%에 해당하는 암모니아 유입 흐름에 대한 결과가 표 1에 제시된다.
| 플랜트 타입 | 본 발명 | 전용 SOFC 하이브리드 |
| SOFC 파워, kW | 625 | 5940 |
| 작동 전압 SOFC, V | 0.7 | 0.8 |
| 연료 이용률, % | 50 | 80 |
| 공기 송풍기 듀티, kW | 29 | 301 |
| 캐소드 원료/유출물 kW | 946 | 9905 |
| 스택의 상대적 수 | 1 | 15.5 |
| 가스 엔진 파워, kW | 3138 | 969 |
| 전체 전기 효율 % | 49.4 | 68.3 |
| 60℃까지 지역난방 | 5119 | 4063 |
스택의 상대적 수는 다음의 관계를 사용하여 대략적으로 추정되었다:
스택 면적 = (평균 네른스트 전위 - 작동 전압)/면적 비저항
전용 SOFC의 평균적으로 더 높은 작동 온도로 인해, 이 옵션에 대해 스택 면적은 다소 과대평가되지만, 다른 한편으로 본 발명에 따른 낮은 작동 온도는 스택의 수명을 연장할 것이다.
본 발명에 따른 SOFC + 가스 엔진은 분명히 전기 효율은 더 낮지만, 가스 엔진에 대한 투자는 약 500 $/kW 정도이며, 이것은 현재 SOFC 시스템의 경우 아마도 4~10배 더 높고 스택 교체 비용도 비싸다는 것이 기억되어야 한다.
Claims (6)
- (a) 암모니아의 기체상 스트림을 제공하는 단계;
(b) 암모니아의 기체상 스트림을 제1 및 제2 서브스트림으로 분할하는 단계;
(c) 제1 서브스트림을 고체 산화물 연료 전지에 도입하는 단계;
(d) 제1 서브스트림의 기체상 암모니아를 고체 산화물 연료 전지에서 수행된 전기화학 반응에 의해 생성된 열에 의해 수소와 질소로 분해하는 단계;
(e) 단계 (d)에서 형성된 수소와 질소를 함유하는 고체 산화물 연료 전지로부터의 오프가스를 회수하는 단계;
(f) 오프가스를 기체상 암모니아의 제2 서브스트림과 혼합하여 기체 연료를 제공하는 단계
를 포함하고, 고체 산화물 연료 전지가 35 내지 70%의 연료 이용률로 작동되는, 기체 연료의 제조 방법. - 제 1 항에 있어서, 고체 산화물 연료 전지로부터 오프가스의 일부는 연료 전지의 애노드로 재순환되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 암모니아의 기체상 스트림은 가압된 액체 암모니아 공급원으로부터 제공되며, 이것은 익스팬더에서 가열 및 팽창되어 암모니아의 기체상 스트림을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 전기 에너지가 익스팬더에서 생성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4 항에 있어서, 전기 에너지는 고체 산화물 연료 전지의 캐소드 챔버에 공기를 불어넣는 송풍기의 작동에 활용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 4 항에 있어서, 전기 에너지는 고체 산화물 연료 전지로부터 오프가스의 일부를 연료 전지의 애노드 챔버로 재순환시키기 위한 압축기의 작동에 활용되는 것을 특징으로 하는 방법.
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