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KR20220078081A - 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템, 이를 이용한 수소생산 방법 - Google Patents

배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템, 이를 이용한 수소생산 방법 Download PDF

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KR20220078081A
KR20220078081A KR1020200167222A KR20200167222A KR20220078081A KR 20220078081 A KR20220078081 A KR 20220078081A KR 1020200167222 A KR1020200167222 A KR 1020200167222A KR 20200167222 A KR20200167222 A KR 20200167222A KR 20220078081 A KR20220078081 A KR 20220078081A
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이강남
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 고온의 천연가스를 수소로 개질하는 과정에서 발생하는 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집 및 회수하여 가스정(gas well)에 재공급함으로써 천연가스 생산 효율을 높이는 것은 물론, 천연가스 생산 및 수소 액화 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 수소 생산 과정에 활용함으로써 고온 환경에서 작동하는 개질기의 에너지 소모율을 획기적으로 감소시키고, 유해가스를 배출시키지 않으면서 고효율의 수소를 생성할 수 있도록 하는 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템, 이를 이용한 수소생산 방법에 관한 것이다.

Description

배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템, 이를 이용한 수소생산 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PRODUCING HYDROGEN USING EXHAUST GAS AND HEAT ENERGY RECOVERY}
본 발명은 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템, 이를 이용한 수소생산 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 고온의 천연가스를 수소로 개질하는 과정에서 발생하는 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집 및 회수하여 가스정(gas well)에 재공급함으로써 천연가스 생산 효율을 높이는 것은 물론, 천연가스 생산 및 수소 액화 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 수소 생산 과정에 활용함으로써 고온 환경에서 작동하는 개질기의 에너지 소모율을 획기적으로 감소시키고, 유해가스를 배출시키지 않으면서 고효율의 수소를 생성할 수 있도록 하는 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템, 이를 이용한 수소생산 방법에 관한 것이다.
최근, 전 세계적으로 탈탄소화 및 온실가스 감축, 미세먼지 저감 등 환경적 가치의 영향이 커짐에 따라 친환경 에너지에 대한 기대가 커지고 있으며, 그중 발전 시 온실가스를 대기 중으로 배출하지 않는 수소가 가장 주목받고 있다.
현재는 다량의 수소생산을 위해 천연가스를 개질하여 수소를 얻는 SMR(Steam Methane Reforming) 방법이 주로 활용되고 있다. 하지만, 이는 공정 중 많은 양의 유해가스를 배출하며 동시에 많은 에너지를 사용하게 되는데, 수소에너지가 궁극적인 친환경 에너지로 활용되기 위해서는 수소 역시 친환경적으로 생산되어야 한다는 점에서, 환경오염을 발생시키지 않으면서도 수소를 대량으로 발생시켜 에너지를 저감할 수 있는 기술이 필요한 실정이다.
한국등록특허 제10-2141970호
본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 고온의 천연가스를 수소로 개질하는 과정에서 발생하는 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집 및 회수하여 가스정(gas well)에 재공급함으로써 천연가스 생산 효율을 높이는 것은 물론, 천연가스 생산 및 수소 액화 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 수소 생산 과정에 활용함으로써 고온 환경에서 작동하는 개질기의 에너지 소모율을 획기적으로 감소시키고, 유해가스를 배출시키지 않으면서 고효율의 수소를 생성할 수 있도록 하는 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템, 이를 이용한 수소생산 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템은 가스정(gas well)으로부터 천연가스를 생산하며, 천연가스를 필터링하여 천연가스 내 불순물을 제거하는 가스 유입부, 상기 가스 유입부를 거친 천연가스 내 수분을 제거하고 산성을 중화시키는 가스 처리부, 상기 가스 처리부를 거친 천연가스가 임시 저장되는 버퍼 탱크, 상기 버퍼 탱크와 연결되며, 상기 버퍼 탱크로부터 공급되는 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질기, 상기 개질기를 통해 생산되는 수소를 액화하는 수소 액화기, 상기 수소 액화기를 통해 액화된 액화수소가 저장되는 하나 이상의 수소 저장탱크 및 상기 가스 유입부 및 상기 가스 처리부로부터 발생되는 배출가스를 회수한 후 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소를 제외한 나머지 배출가스를 외부로 배출시키고, 포집된 이산화탄소를 상기 가스정으로 재공급하는 탄소 포집저장부(CCS)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스 유입부는 상기 천연가스를 필터링하여 불순물을 제거하는 슬러그 포집기(slug catcher)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스 처리부는 상기 천연가스를 필터링하여 수분을 제거하는 글리콜 접촉기(glycol contactor)를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스 유입부와 상기 가스 처리부 사이에는 상기 천연가스로부터 열을 회수하는 제1 열회수기가 마련되고, 상기 수소 액화시에는 천연가스가 액화수소로 액화되는 과정에서 발생되는 열을 회수하는 제2 열회수기가 마련되며, 상기 제1 및 제2 열회수기는 회수된 열을 상기 개질기에 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 상기 버퍼 탱크와 연결되며, 상기 버퍼 탱크로부터 일부 공급되는 천연가스를 이용하여 전력을 생산하는 발전기를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스 유입부, 상기 가스 처리부 및 상기 발전기 각각에서 발생되는 배출가스는 회수배관을 통해 회수되어 상기 탄소 포집저장부로 공급되는 것을 특징으로 할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 가스정과 상기 탄소 포집저장부 사이에는 상기 탄소 포집저장부를 통해 포집되는 이산화탄소를 상기 가스정 방향으로 가압 공급하는 석유회수증진(EOR) 펌프가 마련되는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 방법은 가스 유입부를 통해 가스정(gas well)으로부터 천연가스를 생산하며, 생산된 천연가스를 필터링하여 천연가스 내 불순물을 제거하는 단계, 가스 처리부를 통해 천연가스 내 수분을 제거하고 산성을 중화시키는 단계, 상기 가스 처리부를 거친 천연가스를 버퍼 탱크에 임시 저장하는 단계, 상기 버퍼 탱크와 연결된 개질기를 통해, 상기 버퍼 탱크로부터 공급되는 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는 단계, 상기 개질기를 통해 생산되는 수소를 수소 액화기를 통해 액화하는 단계, 액화된 액화수소를 하나 이상의 수소 저장탱크에 저장하는 단계 및 탄소 포집저장부를 통해 상기 가스 유입부 및 상기 가스 처리부로부터 발생되는 배출가스를 회수한 후 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소를 제외한 나머지 배출가스를 외부로 배출시키고, 포집된 이산화탄소를 상기 가스정으로 재공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 고온의 천연가스를 수소로 개질하는 과정에서 발생하는 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집 및 회수하여 가스정(gas well)에 재공급함으로써 천연가스 생산 효율을 높이는 것은 물론, 천연가스 생산 및 수소 액화 과정에서 발생되는 폐열을 회수하여 수소 생산 과정에 활용함으로써 고온 환경에서 작동하는 개질기의 에너지 소모율을 획기적으로 감소시키고, 유해가스를 배출시키지 않으면서 고효율의 수소를 생성할 수 있는 이점을 가진다.
특히 본 발명의 일 측면에 따르면, 공정 내 폐열 및 이산화탄소 회수를 통해 온실가스를 대기 중으로 배출하지 않고 수소생산에 들어가는 에너지를 저감할 수 있는 이점을 가진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출가스 및 에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 및 제2 열회수기(180, 190)를 통해 회수된 열이 개질기(140)에 공급됨에 따라 개질기(140)가 가열되는 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 도 1에 도시된 배출가스 및 에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템(100)을 통해 수소를 생산하는 전 과정을 순서대로 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배출가스 및 에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템(100)의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 배출가스 및 에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템(100)은 크게 가스 유입부(110), 가스 처리부(120), 버퍼 탱크(130), 개질기(140), 수소 액화기(150), 하나 이상의 수소 저장탱크(160), 탄소 포집저장부(CCS, 170), 제1 및 제2 열회수기(180, 190), 발전기(200) 및 석유회수증진(EOR) 펌프(210)를 포함하여 구성된다.
먼저, 가스 유입부(110)(Gas Inlet System)는 육상 혹은 해상의 가스정(gas well)으로부터 고온의 천연가스를 생산하여 끌어올리는 역할과, 끌러올린 천연가스를 필터링하여 천연가스 내 불순물을 제거하는 역할을 한다. 이를 위해, 가스 유입부(110)는 고온의 천연가스를 필터링하여 천연가스 내 불순물을 제거하는 슬러그 포집기(slug catcher, 111)을 포함하여 구성될 수 있다.
가스 유입부(110)는 가스 처리부(120)와 연결되며, 가스 유입부(110)에 의해 불순물이 제거된 천연가스는 가스 처리부(120)로 전달된다.
이때, 가스 유입부(110)와 가스 처리부(120) 사이에는 제1 열 회수기(180)가 마련된다. 제1 열회수기(180)는 가스 유입부(110)를 거쳐 가스 처리부(120)로 전달되는 고온의 천연가스로부터 열을 회수하여 후술되는 개질기(140)에 전달하는 역할을 한다. 가스 유입부(110)를 통해 생산되는 천연가스는 섭씨 600도 이상의 고온의 열을 방출하기 때문에, 제1 열회수기(180)에서는 이러한 열을 회수한 후 개질기(140)에 공급함으로써 개질기(140)의 개질 과정에서 열을 이용하게 된다.
이때, 가스 유입부(110)의 천연가스 생산 과정에서 이산화탄소(CO2)를 포함하는 배출가스가 발생하게 되는데, 발생된 배출가스는 가스 유입부(110)와 연결된 회수배관을 통해 후술되는 탄소 포집저장부(170)로 포집되게 된다.
가스 처리부(Gas Treatment System, 120)는 가스 유입부(110) 및 제1 열회수기(180)를 거쳐 전달되는 천연가스 내 수분을 제거하고 산성을 중화시키는 역할을 한다.
보다 구체적으로 가스 처리부(120)는 천연가스를 필터링하여 수분을 제거하는 글리콜 접촉기(glycol contactor, 121)를 포함하여 구성되며, 수분이 제거된 천연가스는 버퍼 탱크(buffer tank, 130)에 저장된다.
이때, 가스 처리부(120)의 수분 제거 과정에서 이산화탄소(CO2)를 포함하는 배출가스가 발생하게 되는데, 발생된 배출가스는 가스 처리부(120)와 연결된 회수배관을 통해 후술되는 탄소 포집저장부(170)로 포집되게 된다.
버퍼 탱크(130)는 가스 처리부(120)에 의해 수분이 제거된 천연가스가 임시 저장되는 공간을 의미하며, 이때 저장된 천연가스 중 일부는 발전기(200)에 공급되어 발전기(200)를 통한 전력 생산에 이용될 수 있다. 이때, 발전기(200)의 전력 생산 과정에서 발생되는 배출가스는 발전기(200)와 연결된 회수배관을 통해 후술되는 탄소 포집저장부(170)로 포집되게 된다. 버퍼 탱크(130)에 임시 저장된 천연가스는 개질기(140)로 전달된다.
개질기(Reformer, 140)는 버퍼 탱크(130)로주터 전달되는 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는 역할을 한다.
이때, 개질기(140)는 개질 과정에서 섭씨 800도 이상의 고온을 필요로 하기 때문에, 앞서 살펴본 제1 열회수기(180)와, 후술되는 수소 액화기(150)에 마련된 제2 열회수기(190)를 통해 회수된 열이 개질기(140)에 공급될 수 있다. 관련하여 살펴보면 다음과 같다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 및 제2 열회수기(180, 190)를 통해 회수된 열이 개질기(140)에 공급됨에 따라 개질기(140)가 가열되는 상태를 도시한 도면이다.
도 2를 살펴보면, 개질기(140)는 기본적으로 섭씨 800도 이상의 고온 환경에서 작동하여 개질을 진행하게 되는데, 개질기(140)를 별도의 가열 장치(Heater)를 통해 지속해서 가열하기 위해서는 다량의 에너지 및 연료가 소모되어야 한다.
하지만, 본원발명에서는 가열 장치를 통한 가열 과정을 최소화하되, 제1 및 제2 열회수기(180), 190)를 통해 회수되는 열을 지속적으로 개질기(140)로 공급함으로써 개질기(140)의 온도를 섭씨 800도 이상의 고온 환경으로 만들 수 있게 된다.
다시 도 1로 돌아와서, 수소 액화기(150)는 개질기(140)를 통해 생성된 수소를 액화하는 역할을 하는데, 이때 수소 액화기(150)에 연결된 제2 열회수기(190)는 수소의 액화 과정에서 발생되는 열을 회수하여 개질기(140)로 공급하게 된다. 수소 액화기(150)에 의해 액화된 액화 수소는 하나 이상의 수소 저장탱크(160)에 저장되며, 각 수소 저장탱크(160)는 트럭 혹은 선박을 통해 하역되게 된다. 이러한 수소 저장탱크(160)의 수는 제한되지 않는다.
탄소 포집저장부(Carbon capture and storage, 170)는 회수배관을 통해 회수되는 배출가스 내에서 이산화탄소(CO2)를 포집하고, 이를 다시 가스정(gas well)로 재공급하는 역할을 한다.
보다 구체적으로, 앞서 살펴본 가스 유입부(110), 가스 처리부(120), 발전기(200) 각각으로 배출되는 배출가스는 하나로 연결된 회수배관을 통해 탄소 포집저장부(170)로 공급되며, 탄소 포집저장부(170)에서는 이러한 배출가스 중에서 이산화탄소(CO2)를 별도 분리 포집한 후 가스정으로 재공급함으로써 가스 유입부(110)를 통한 천연가스 생산 효율을 높이게 된다.
이때, 탄소 포집저장부(170)와 가스정 사이에는 탄소 포집저장부(170)를 통해 포집되는 이산화탄소를 가스정 방향으로 가압 공급하기 위한 석유회수증진(EOR) 펌프(210)가 마련된다. EOR 펌프(210)는 EOR(Enhanced Oil Recovery) 방법을 이용하여 이산화탄소를 가스정 방향으로 가압 공급하게 되며, 이를 통해 천연가스 생산 효율이 극대화될 수 있다.
다음으로는, 도 3을 통해 이러한 배출가스 및 열에너지 회수를 통해 수소를 효율적으로 생산하는 과정을 일련의 순서대로 살펴보기로 한다.
도 3은 도 1에 도시된 배출가스 및 에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템(100)을 통해 수소를 생산하는 전 과정을 순서대로 도시한 도면이다.
도 3을 살펴보면, 먼저 가스 유입부를 통해 가스정(gas well)으로부터 천연가스를 생산하며, 생산된 천연가스를 필터링하여 천연가스 내 불순물을 제거하고(S301), 가스 처리부를 통해 천연가스 내 수분을 제거하고 산성을 중화시킨 후(S302), 가스 처리부를 거친 천연가스를 버퍼 탱크에 임시 저장한다(S303).
다음으로, 버퍼 탱크와 연결된 개질기를 통해, 상기 버퍼 탱크로부터 공급되는 천연가스를 개질하여 수소를 생산하고(S304), 개질기를 통해 생산되는 수소를 수소 액화기를 통해 액화시킨 후 액화된 액화수소를 하나 이상의 수소 저장탱크에 저장하게 된다(S305).
다음으로, 탄소 포집저장부를 통해 상기 가스 유입부 및 상기 가스 처리부로부터 발생되는 배출가스를 회수한 후 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소를 제외한 나머지 배출가스를 외부로 배출시키고, 포집된 이산화탄소를 상기 가스정으로 재공급함으로써, 천연가스 생산 효율을 높이게 된다(S306).
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 배출가스 및 에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템
110: 가스 유입부
111: 슬러그 포집기
120: 가스 처리부
121: 글리콜 접촉기
130: 버퍼 탱크
140: 개질기
150: 수소 액화기
160: 수소 저장탱크
170: 탄소 포집저장부
180: 제1 열회수기
190: 제2 열회수기
200: 발전기
210: EOR 펌프

Claims (8)

  1. 가스정(gas well)으로부터 천연가스를 생산하며, 천연가스를 필터링하여 천연가스 내 불순물을 제거하는 가스 유입부;
    상기 가스 유입부를 거친 천연가스 내 수분을 제거하고 산성을 중화시키는 가스 처리부;
    상기 가스 처리부를 거친 천연가스가 임시 저장되는 버퍼 탱크;
    상기 버퍼 탱크와 연결되며, 상기 버퍼 탱크로부터 공급되는 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는 개질기;
    상기 개질기를 통해 생산되는 수소를 액화하는 수소 액화기;
    상기 수소 액화기를 통해 액화된 액화수소가 저장되는 하나 이상의 수소 저장탱크; 및
    상기 가스 유입부 및 상기 가스 처리부로부터 발생되는 배출가스를 회수한 후 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소를 제외한 나머지 배출가스를 외부로 배출시키고, 포집된 이산화탄소를 상기 가스정으로 재공급하는 탄소 포집저장부(CCS);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유입부는,
    상기 천연가스를 필터링하여 불순물을 제거하는 슬러그 포집기(slug catcher);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 처리부는,
    상기 천연가스를 필터링하여 수분을 제거하는 글리콜 접촉기(glycol contactor);를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 유입부와 상기 가스 처리부 사이에는 상기 천연가스로부터 열을 회수하는 제1 열회수기;가 마련되고,
    상기 수소 액화시에는 천연가스가 액화수소로 액화되는 과정에서 발생되는 열을 회수하는 제2 열회수기;가 마련되며,
    상기 제1 및 제2 열회수기는 회수된 열을 상기 개질기에 공급하는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 버퍼 탱크와 연결되며, 상기 버퍼 탱크로부터 일부 공급되는 천연가스를 이용하여 전력을 생산하는 발전기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 가스 유입부, 상기 가스 처리부 및 상기 발전기 각각에서 발생되는 배출가스는 회수배관을 통해 회수되어 상기 탄소 포집저장부로 공급되는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가스정과 상기 탄소 포집저장부 사이에는,
    상기 탄소 포집저장부를 통해 포집되는 이산화탄소를 상기 가스정 방향으로 가압 공급하는 석유회수증진(EOR) 펌프;가 마련되는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 시스템.
  8. 가스 유입부를 통해 가스정(gas well)으로부터 천연가스를 생산하며, 생산된 천연가스를 필터링하여 천연가스 내 불순물을 제거하는 단계;
    가스 처리부를 통해 천연가스 내 수분을 제거하고 산성을 중화시키는 단계;
    상기 가스 처리부를 거친 천연가스를 버퍼 탱크에 임시 저장하는 단계;
    상기 버퍼 탱크와 연결된 개질기를 통해, 상기 버퍼 탱크로부터 공급되는 천연가스를 개질하여 수소를 생산하는 단계;
    상기 개질기를 통해 생산되는 수소를 수소 액화기를 통해 액화하는 단계;
    액화된 액화수소를 하나 이상의 수소 저장탱크에 저장하는 단계; 및
    탄소 포집저장부를 통해 상기 가스 유입부 및 상기 가스 처리부로부터 발생되는 배출가스를 회수한 후 배출가스 내에서 이산화탄소를 포집하여 이산화탄소를 제외한 나머지 배출가스를 외부로 배출시키고, 포집된 이산화탄소를 상기 가스정으로 재공급하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 배출가스 및 열에너지 회수를 이용한 수소생산 방법.
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