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KR20130130972A - Method for high purity hydrogen generation - Google Patents

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KR20130130972A
KR20130130972A KR1020120054666A KR20120054666A KR20130130972A KR 20130130972 A KR20130130972 A KR 20130130972A KR 1020120054666 A KR1020120054666 A KR 1020120054666A KR 20120054666 A KR20120054666 A KR 20120054666A KR 20130130972 A KR20130130972 A KR 20130130972A
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KR
South Korea
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carbon dioxide
gas
dioxide adsorbent
flow rate
gasification catalyst
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KR1020120054666A
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Korean (ko)
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류호정
박영철
조성호
이창근
진경태
선도원
배달희
박재현
이승용
문종호
이동호
Original Assignee
한국에너지기술연구원
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Publication date
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Abstract

본 발명은 탄화수소 연료의 가스화(gasification)에 의해 발생되는 합성가스로부터 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 이용한 회수증진수성가스화(SEWGS, Sorption Enhanced Water Gas Shift)반응에 의하여 고순도의 수소를 연속적으로 생산하는 방법에 관한 것으로, 연료의 가스화로 얻어진 합성가스를 공급하여 유동화상태의 수성가스화촉매및 이산화탄소흡착제와 동시에 접촉시켜서 합성가스 중 이산화탄소의 흡착으로 인한 이산화탄소의 분압의 감소를 통해 수소생성을 촉진하는 제1단계; 제1단계에서 발생되는 기체상태의 수소를 분리하면서 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 이동시키는 제2단계; 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제에 재생가스를 접촉시켜 이산화탄소흡착제에 흡착된 이산화탄소를 분리시켜 방출하는 제3단계; 및 수성화가스화촉매와 재생된 이산화탄소흡착제를 제1단계로 복귀시키는 제4단계를 포함하고, 상기 제1단계 내지 제4단계는 연속하여 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention is a method for continuously producing high purity hydrogen from a synthesis gas generated by gasification of hydrocarbon fuel by a recovery enhanced water gas shift (SEWGS) using an aqueous gasification catalyst and a carbon dioxide adsorbent. The first step of supplying the synthesis gas obtained by the gasification of the fuel and in contact with the aqueous gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent in the fluidized state to promote hydrogen production by reducing the partial pressure of carbon dioxide due to the adsorption of carbon dioxide in the synthesis gas ; A second step of moving the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent while separating gaseous hydrogen generated in the first step; A third step of separating and discharging carbon dioxide adsorbed on the carbon dioxide adsorbent by contacting the regeneration gas to the aqueous gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent; And a fourth step of returning the aqueous gasification catalyst and the regenerated carbon dioxide adsorbent to the first step, wherein the first to fourth steps are sequentially and sequentially performed.

Description

고순도 수소생산방법{Method for High Purity Hydrogen Generation}Method for High Purity Hydrogen Generation

본 발명은 고순도 수소생산방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄화수소 연료의 가스화(gasification)에 의해 발생되는 합성가스로부터 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 이용한 회수증진수성가스화(SEWGS, Sorption Enhanced Water Gas Shift)반응에 의하여 고순도의 수소를 연속적으로 생산하는 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a high-purity hydrogen production method, and more particularly, recovery enhanced gas gas (SEWGS) using an aqueous gasification catalyst and a carbon dioxide adsorbent from a synthesis gas generated by gasification of hydrocarbon fuel. It relates to a method for continuously producing high purity hydrogen by the reaction.

화석연료의 고갈을 대비하여 청정연료로 수소를 이용하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있으며, 수소 경제사회를 위한 인프라 구축과 연료전지 버스, 발전용 연료전지 및 수소 제조저장 등 폭넓은 연구가 수행되고 있다.Research is being actively carried out to use hydrogen as a clean fuel in preparation for depletion of fossil fuels. Extensive research is being carried out on infrastructure construction for the hydrogen economy society, fuel cell buses, fuel cells for power generation, and hydrogen storage have.

이러한 수소생산은 화석연료로부터 수취하는 방법이 주로 연구되고 있으며, 화석연료인 탄화수소를 물과 반응시켜 이산화탄소와 수소를 생산하고 발생된 이산화탄소를 분리하여 수소를 수취하는 수증기 개질기술, 탄화수소의 가스화(gasification)에 의해 발생되는 합성가스(syngas)로부터 수성가스화전환반응(water gas shift reaction)에 의해 수소를 생산하는 기술 등이 적용되고 있다.Such hydrogen production is mainly studied in fossil fuels. Steam reforming technology is used to produce carbon dioxide and hydrogen by reacting hydrocarbons, which are fossil fuels, with water, and separating generated carbon dioxide to obtain hydrogen, gasification of hydrocarbons And a technique for producing hydrogen by a water gas shift reaction from a syngas generated by a gas-phase synthesis gas (syngas).

이와 같이 화석연료로부터 수소를 생산하는 과정에는 이산화탄소가 발생되며, 발생된 이산화탄소의 분리정도에 따라 수취되는 수소의 순도가 달라진다. 한편, 이산화탄소는 지구온난화를 일으키는 온실가스이므로 고순도의 수소생산과 함께 이산화탄소를 분리할 수 있는 기술이 매우 중요하다.Thus, in the process of producing hydrogen from fossil fuels, carbon dioxide is generated, and the purity of the received hydrogen differs depending on the degree of separation of generated carbon dioxide. On the other hand, since carbon dioxide is a greenhouse gas that causes global warming, it is very important to produce high purity hydrogen and to separate carbon dioxide.

특히, 수성가스화전환반응을 이용한 수소생산기술은 한국특허출원 제10-2009-072726호에서 개시하고 있으나, 고온 수성가스화 및 저온 수성가스화의 2단의 수성가스화 반응을 거쳐야 하므로, 장치의 규모가 커지고 에너지가 낭비되는 문제점 있다.
Particularly, although the technology for producing hydrogen using the water gasification conversion reaction is disclosed in Korean Patent Application No. 10-2009-072726, it is required to undergo a two-stage aqueous gasification reaction of high temperature aqueous gasification and low temperature aqueous gasification, There is a problem that energy is wasted.

상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 동시에 이용한 회수증진수성가스화(SEWGS, Sorption Enhanced Water Gas Shift)반응에 의하여 고순도의 수소를 연속적으로 생산하는 방법을 제공하는 데에 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention devised to solve the above problems is a method of continuously producing high purity hydrogen by a recovery enhanced water gas shift (SEWGS) reaction using an aqueous gasification catalyst and a carbon dioxide adsorbent. To provide.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄화수소 연료의 가스화로 얻어진 합성가스를 공급하여 유동화상태의 수성가스화촉매및 이산화탄소흡착제와 동시에 접촉시켜서 합성가스 중 이산화탄소의 흡착으로 인한 이산화탄소의 분압의 감소를 통해 수소생성을 촉진하는 제1단계; 제1단계에서 발생되는 기체상태의 수소를 분리하면서 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 이동시키는 제2단계; 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제에 재생가스를 접촉시켜 이산화탄소흡착제에 흡착된 이산화탄소를 분리시켜 방출하는 제3단계; 및 수성화가스화촉매와 재생된 이산화탄소흡착제를 제1단계로 복귀시키는 제4단계를 포함하고, 상기 제1단계 내지 제4단계는 연속하여 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법이다.The present invention for achieving the above object, by supplying the synthesis gas obtained by gasification of hydrocarbon fuel and in contact with the aqueous gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent in the fluidized state through the reduction of the partial pressure of carbon dioxide due to the adsorption of carbon dioxide in the synthesis gas A first step of promoting hydrogen production; A second step of moving the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent while separating gaseous hydrogen generated in the first step; A third step of separating and discharging carbon dioxide adsorbed on the carbon dioxide adsorbent by contacting the regeneration gas to the aqueous gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent; And a fourth step of returning the aqueous gasification catalyst and the regenerated carbon dioxide adsorbent to the first step, wherein the first to fourth steps are sequentially and sequentially performed.

상기 제4단계에서는 상기 이산화탄소흡착제를 이산화탄소흡착온도까지 냉각시키는 것을 특징으로 한다.In the fourth step, the carbon dioxide adsorbent is cooled to a carbon dioxide adsorption temperature.

또, 상기 제1단계에서 합성가스와 함께 스팀이 공급되는 것을 특징으로 한다.In addition, steam is supplied together with the synthesis gas in the first step.

또, 상기 제3단계에서 재생가스는 이산화탄소 및 스팀 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In the third step, the regeneration gas is composed of at least one selected from carbon dioxide and steam.

또, 상기 수성가스화촉매는 CuO, ZnO, MoO3, Al2O3와 이의 복합체 및 이 물질들과 지지체의 혼합물 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으며, 상기 이산화탄소흡착제는 K2CO3, KHCO3, MgO, hydrotalcite, 이의 복합체 및 이 물질들과 지지체의 혼합물 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.In addition, the water gasification catalyst may be made of any one or more selected from CuO, ZnO, MoO 3 , Al 2 O 3 and a complex thereof and a mixture of these materials and the support, the carbon dioxide adsorbent K 2 CO 3 , KHCO 3 , MgO, hydrotalcite, a complex thereof, and a mixture of these materials and a support.

상기 제2단계는 추가로 공급되는 이동가스의 유량에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 이동가스의 유량에 의해 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제의 이동량을 조절하는 것이 가능하다. 상기 이동가스는 스팀 또는 이산화탄소가스일 수 있다.The second step is characterized in that made by the flow rate of the additionally supplied moving gas. Therefore, it is possible to adjust the movement amount of the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent by the flow rate of the moving gas. The moving gas may be steam or carbon dioxide gas.

상기 제1단계는 1차유동속도와, 상기 1차유동속도보다 빠른 2차유동속도에서 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 한다. The first step is characterized in that the first flow rate and the second flow rate faster than the primary flow rate is made sequentially.

이때, 1차유동속도와, 2차유동속도는 제1단계가 이루어지는 유동반응기의 단면적을 변화시키거나, 유동반응기의 중간부에 추가로 공급되는 합성가스, 스팀, 또는 이들의 혼합가스에 의해 1차유동속도와 2차유동속도를 부여할 수 있다.
At this time, the first flow rate and the second flow rate is changed by changing the cross-sectional area of the flow reactor in which the first stage is made, or by syngas, steam, or a mixture thereof supplied to the intermediate portion of the flow reactor. Differential and secondary flow rates can be given.

본 발명을 통하여, 고순도의 수소를 연속적으로 생산할 수 있을 뿐 아니라, 부산물로써 이산화탄소의 생성도 이루어진다. 또한, 냉각-고온수성가스전환-냉각-저온수성가스전환-이산화탄소분리회수로 이루어진 기존의 공정에 비해 장치의 규모를 크게 줄일 수 있으며, 한 종류의 수성가스화촉매만을 사용하므로 촉매비용을 절감할 수 있다.
Through the present invention, not only can continuously produce high purity hydrogen, but also produce carbon dioxide as a by-product. In addition, compared to the existing process consisting of cooling, high temperature water gas conversion, cooling, low temperature water gas conversion, and carbon dioxide separation recovery, the size of the device can be significantly reduced, and the catalyst cost can be reduced by using only one type of water gasification catalyst. have.

도 1은 본 발명에 따른 고순도 수소생산방법의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고순도 수소생산방법에 따라 구성된 수소생산장치의 개략도이다.
도 3은 수성가스화반응기에서 수성가스화촉매만 사용한 경우에 수성가스화반응기의 출구의 시간에 따른 성분별 중량% 그래프이다.
도 4는 수성가스화반응기에서 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제를 사용한 경우에 수성가스화반응기의 출구의 시간에 따른 성분별 중량% 그래프이다.
1 is a schematic diagram of a high purity hydrogen production process according to the present invention.
2 is a schematic diagram of a hydrogen production apparatus constructed in accordance with a method for producing high purity hydrogen according to the present invention.
FIG. 3 is a graph of weight percent of each component according to the time of the outlet of the water gasification reactor when only the water gasification catalyst is used in the water gasification reactor.
FIG. 4 is a graph of weight percent of each component according to the time of the outlet of the water gasification reactor when the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent are used in the water gasification reactor.

이하, 본 발명을 도면과 실시예를 통해 설명한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings and examples. In the drawings, the same reference numerals are used to designate the same or similar components, and the same reference numerals will be used to designate the same or similar components. Detailed descriptions of known functions and configurations are omitted.

본 발명은 탄화수소 연료의 가스화(gasification)에 의해 발생되는 합성가스로부터 고농도의 수소를 제조하기 위하여 이산화탄소의 고정화를 통한 이산화탄소의 분압감소에 의해 수성가스화반응을 촉진시키는 것을 주요한 특징으로 한다. 또, 공정의 연속성을 위해 이산화탄소흡착제를 사용하여 재생에 의해 반복적으로 사용할 수 있도록 하였다.The present invention relates to a process for the production of hydrocarbon fuel, The main feature is to promote the water gasification reaction by reducing the partial pressure of carbon dioxide through the immobilization of carbon dioxide in order to produce hydrogen at a high concentration from the synthesis gas. In addition, the carbon dioxide adsorbent can be used repeatedly by regeneration for the continuity of the process.

따라서, 본 발명은 이산화탄소의 고정화를 연속으로 제공할 수 있도록 이산화탄소 흡착 및 수소발생의 제1단계, 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제 이동의 제2단계, 이산화탄소흡착제를 재생하는 제3단계, 및 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제를 복귀시키는 제4단계로 이루어지는 공정싸이클을 기본적인 구성으로 한다.Accordingly, the present invention provides a first step of carbon dioxide adsorption and hydrogen generation, a second step of water gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent movement, a third step of regenerating carbon dioxide adsorbent, and a water gasification catalyst to continuously provide immobilization of carbon dioxide. And a fourth step of returning the carbon dioxide adsorbent to the basic configuration.

상기 제1단계는 연료의 가스화로 얻어진 합성가스를 공급하여 유동화상태의 수성가스화촉매및 이산화탄소흡착제와 동시에 접촉시켜서 합성가스 중 이산화탄소의 흡착으로 인한 이산화탄소의 분압의 감소를 통해 수소생성을 촉진하는 공정이다.The first step is a step of supplying the synthesis gas obtained by gasification of the fuel and in contact with the aqueous gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent in the fluidized state to promote hydrogen production by reducing the partial pressure of carbon dioxide due to the adsorption of carbon dioxide in the synthesis gas. .

합성가스에 포함된 성분들은 H2, CO, CO2, CH4, H2O 등이며, 이 중 주성분인 일산화탄소(CO)를 수증기와 반응시키면 반응식 1과 같은 수성가스화반응(또는 수성가스전이반응 이라고도 함)(Water gas shift reaction)에 의해 수소가 생산되며, 이산화탄소가 함께 발생한다.
The components included in the synthesis gas are H 2 , CO, CO 2 , CH 4 , H 2 O, etc. Among them, when carbon monoxide (CO), which is a main component, is reacted with water vapor, water gasification reaction (or water gas transition reaction) as in Scheme 1 Hydrogen is produced by water gas shift reaction, and carbon dioxide is generated together.

[반응식 1][Reaction Scheme 1]

CO + H2O → CO2 + H2
CO + H 2 O? CO 2 + H 2

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 합성가스와 스팀을 동시에 공급하게 되며, 합성가스와 스팀의 혼합가스가 유동화가스로써 작용하게 된다. 스팀의 유량은 합성가스 유량의 1~10배가 공급될 수 있다.Accordingly, as shown in FIG. 1, the synthesis gas and the steam are simultaneously supplied, and the mixed gas of the synthesis gas and the steam serves as the fluidizing gas. The steam flow rate can be supplied from 1 to 10 times the syngas flow rate.

이때, 수소의 생성을 주요 목표로 하는 공정에서, 반응식 1의 정반응이 활발하게 일어나기 위해서는 르-샤틀리에의 원리에 의해 CO2의 분압이 낮은 것이 바람직하다. 본 발명에서는 CO2의 분압을 낮추기 위하여 금속산화물의 이산화탄소흡착제를 사용하였다. 금속산화물에 의한 이산화탄소의 흡착과정은 반응식 2와 같다.
At this time, in the process mainly aiming at the production of hydrogen, it is preferable that the partial pressure of CO 2 is low in accordance with the principle of Re-Chatlli in order for the positive reaction of the reaction formula 1 to actively take place. In the present invention, a carbon dioxide adsorbent of a metal oxide was used to lower the partial pressure of CO 2 . The process of adsorption of carbon dioxide by the metal oxide is shown in Reaction Scheme 2.

[반응식 2][Reaction Scheme 2]

CO2 + MO → MCO3
CO 2 + MO - > MCO 3

따라서, 상기 반응식 1과 반응식 2의 반응이 동시에 일어나면, 다음의 반응식 3과 같은 반응이 일어나며, 이와 같이 기체중의 CO2를 고체입자인 이산화탄소흡착제에 고정화하면 기체 중의 CO2 분압이 감소하므로 반응식 1의 정반응(수소생산)이 우세해져 수소 수율을 높일 수 있으므로 고순도의 수소 수취가 가능하다. 다만, 촉매에 의한 수성가스화반응과 CO2 흡착제에 의한 CO2 흡착반응이 동시에 일어나므로, 두 반응이 모두 일어날 수 있는 온도범위인 150~300℃ 범위에서 조업한다.
Therefore, when the reaction of Scheme 1 and Scheme 2 occurs at the same time, the reaction occurs as shown in Scheme 3 below. Thus, when the CO 2 in the gas is immobilized on the carbon dioxide adsorbent which is a solid particle, the partial pressure of CO 2 in the gas decreases. Because of the preponderance of hydrogen reaction (hydrogen production), the hydrogen yield can be increased, and high purity hydrogen can be received. However, because the water-based gasification and CO 2 absorption reaction by the CO 2 absorbent by the catalyst up simultaneously, the operating temperature range in the range 150 ~ 300 ℃ that can occur both reactions.

[반응식 3]Scheme 3

CO + H2O + MO → H2 + MCO3
CO + H 2 O + MO - H 2 + MCO 3

상기 수성가스화촉매는 CuO, ZnO, MoO3, Al2O3와 이의 복합체 및 이 물질들과 지지체의 혼합물 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있으며, 상기 이산화탄소흡착제는 K2CO3, KHCO3, MgO, hydrotalcite, 이의 복합체 및 이 물질들과 지지체의 혼합물 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어질 수 있다.The water gasification catalyst may be made of any one or more selected from CuO, ZnO, MoO 3 , Al 2 O 3 and a complex thereof and a mixture of these materials and a support, and the carbon dioxide adsorbent is K 2 CO 3 , KHCO 3 , MgO , hydrotalcite, a complex thereof, and a mixture of these materials and a support.

또, 상기 제1단계는 1차유동속도와, 상기 1차유동속도보다 빠른 2차유동속도에서 순차적으로 이루어질 수 있다. 즉, 1차유동속도 구간에서는 이산화탄소흡착제와 수성가스화촉매의 종말속도(terminal velocity) 이하의 유속을 갖도록 하여, 1차유동속도 구간에서는 수성가스화반응 및 이산화탄소흡착반응이 일어나고, 2차유동속도 구간에서는 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제가 비산되어 상측으로 움직일 수 있도록 한다. 이를 통해, 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제가 스팀 및 합성가스에 접촉할 수 있는 충분한 시간을 제공할 수 있고, 동시에 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제의 제2단계로의 이동을 원활히 할 수 있다.The first step may be sequentially performed at a primary flow rate and a secondary flow rate that is higher than the primary flow rate. That is, in the first flow rate section, the carbon dioxide adsorbent and the water gasification catalyst have a flow rate below the terminal velocity. In the first flow rate section, a water gasification reaction and a carbon dioxide adsorption reaction occur, and in the second flow rate section. Aqueous gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent are scattered to move upward. This may provide sufficient time for the water gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent to contact steam and syngas, and at the same time facilitate the movement of the water gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent to the second stage.

이때, 1차유동속도 및 2차유동속도의 변화는 유동반응기의 단면적을 변화시키거나, 유동반응기의 중간부에 추가로 공급되는 합성가스, 스팀, 또는 이들의 혼합가스에 의해 이루어질 수 있다. 전자의 경우, 1차유동속도구간의 단면적이 2차유동속도 구간의 단면적보다 크게 형성된다. 후자의 경우, 유동반응기에 추가로 가스공급관이 설치될 수 있다. 또, 유동반응기의 단면적 변화 및 추가 가스공급관 설치를 동시에 실시하는 것도 가능하다.At this time, the change of the primary flow rate and the secondary flow rate may be made by changing the cross-sectional area of the flow reactor, or by syngas, steam, or a mixed gas thereof supplied in the middle of the flow reactor. In the former case, the cross-sectional area of the primary flow rate section is formed larger than that of the secondary flow rate section. In the latter case, additional gas supply lines may be installed in the flow reactor. It is also possible to simultaneously change the cross-sectional area of the flow reactor and install additional gas supply lines.

제1단계에 따른 수소농도를 종래기술과 비교하면 다음과 같다.
The hydrogen concentration according to the first step is compared with the prior art as follows.

[비교예][Comparative Example]

수성가스화촉매로 상용촉매인 ShiftMax210을 사용하고, 공급되는 합성가스는 H2 가 28중량%, CO가 63중량%, CO2가 9중량%로 이루어진다. 또, 공급되는 스팀의 중량은 CO의 중량의 3배로 한다. 그리고, 길이 1.6m, 내경 0.15m의 원통형의 수성가스화반응기는 압력 17 bar, 온도 210℃를 유지한다.ShiftMax210, a commercial catalyst, is used as an aqueous gasification catalyst, and the synthesis gas supplied is composed of 28 wt% H 2 , 63 wt% CO, and 9 wt% CO 2 . In addition, the weight of steam supplied is 3 times the weight of CO. In addition, a cylindrical water gasification reactor having a length of 1.6 m and an inner diameter of 0.15 m maintains a pressure of 17 bar and a temperature of 210 ° C.

이 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 수성가스화반응기 출구에서 평균값으로 H2가 52.2중량%, CO가 0.92중량%, CO2가 46.88중량%로 얻어진다.
As a result, as shown in FIG. 3, 52.2% by weight of H 2 , 0.92% by weight of CO, and 46.88% by weight of CO 2 were obtained as average values at the outlet of the water gasification reactor.

[시험예][Test Example]

비교예와 동일하며, ShiftMax210와 동시에 이산화탄소흡착제(K2CO3)를 함께 사용하였으며, 두 가지 입자의 혼합물이 회수증진수성가스화반응기와 재생반응기 사이를 연속적으로 순환되는 차이가 있다.The same as Comparative Example, ShiftMax210 and a carbon dioxide adsorbent (K 2 CO 3 ) at the same time was used together, there is a difference that the mixture of the two particles is continuously circulated between the recovery and regeneration gasifier and the regeneration reactor.

이 결과, 도 4에 도시된 바와 같이 수성가스화반응기 출구에서 평균값으로 H2가 97.86중량%, CO가 2.01중량%, CO2가 0.06중량%, CH4가 0.07중량% 얻어졌다.
As a result, as illustrated in FIG. 4, 97.86 wt% of H 2 , 2.01 wt% of CO, 0.06 wt% of CO 2 , and 0.07 wt% of CH 4 were obtained as average values at the outlet of the water gasification reactor.

따라서, 제1단계와 같이 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 동시에 사용하면 비약적으로 수소생산량이 증대하며, 이산화탄소는 이산화탄소흡착제에 흡착되어서 현저하게 감소하게 된다.
Therefore, when the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent are used at the same time as in the first step, the hydrogen production is greatly increased, and the carbon dioxide is adsorbed on the carbon dioxide adsorbent and is significantly reduced.

다음으로 제2단계는 상기 제1단계에서 발생되는 기체상태의 수소를 분리하면서 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 이동시키는 공정이다.Next, the second step is to move the aqueous gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent while separating the gaseous hydrogen generated in the first step.

수소의 분리는 싸이클론을 이용할 수 있으며, 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제의 이동은 유동화가스의 압력에 의해 이루어질 수 있다. 싸이클론을 통해 배출되는 기체는 수소와 H2O의 혼합물이므로 응축에 의해 H2O를 제거하면 고농도의 수소를 얻을 수 있다.Separation of hydrogen may use a cyclone, and the movement of the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent may be performed by the pressure of the fluidization gas. Since the gas released through the cyclone is a mixture of hydrogen and H 2 O, high concentration of hydrogen can be obtained by removing H 2 O by condensation.

다만, 수소가스 및 스팀의 방출로 인하여 유동화가스의 압력이 저하될 수 있으며, 공급되는 합성가스의 양에 따라 필요한 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제의 양이 달라지게 된다. 따라서, 본 발명에서는 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제의 이동을 위해 별도의 이동가스를 사용할 것을 제안한다. 상기 이동가스로는 이산화탄소가스 또는 스팀을 사용할 수 있다. 또, 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제가 임시로 저장되는 공간을 제공하기 위해 루프실 또는 버퍼탱크를 사용할 수 있다.
However, the pressure of the fluidizing gas may be lowered due to the discharge of hydrogen gas and steam, and the amount of the required water gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent is changed depending on the amount of the syngas supplied. Therefore, the present invention proposes to use a separate moving gas for the movement of the water gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent. As the moving gas, carbon dioxide gas or steam may be used. In addition, a roof chamber or a buffer tank may be used to provide a space for temporarily storing the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent.

그리고, 제3단계는 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제에 재생가스를 접촉시켜 이산화탄소흡착제에 흡착된 이산화탄소를 분리시켜 방출하는 공정이다. 재생가스로는 스팀 또는 이산화탄소가스를 사용한다. 제3단계에서 일어나는 반응은 반응식 2의 역반응으로써 반응식 4와 같다. 이 때, 이산화탄소흡착제는 제1단계보다 높은 온도에서만 이산화탄소를 분리할 수 있으므로, 상기 재생가스는 제2단계를 거쳐 공급되는 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제의 온도보다 높다.
In the third step, the regeneration gas is contacted with the aqueous gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent to separate and release the carbon dioxide adsorbed on the carbon dioxide adsorbent. Steam or carbon dioxide gas is used as the regeneration gas. The reaction occurring in the third step is the reverse reaction of the reaction formula 2 as shown in the reaction formula 4. At this time, since the carbon dioxide adsorbent can separate carbon dioxide only at a temperature higher than the first step, the regeneration gas is higher than the temperature of the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent supplied through the second step.

[반응식 4][Reaction Scheme 4]

MCO3 → MO + CO2
MCO 3 → MO + CO 2

따라서, CO2를 흡착한 이산화탄소흡착제는 반응식 4와 같은 재생반응에 의해 CO2를 배출하고 원래의 금속산화물 형태로 환원된다. 이 때, 발생된 이산화탄소는 싸이클론 등에 의해 고체상태의 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제와 분리되어 방출될 수 있다. 제3단계에서는 CO2 또는 CO2와 H2O의 혼합물이 배출되므로, 응축에 의해 H2O를 제거하면 고농도의 CO2를 얻을 수 있다. 제3단계에서 열에 의해 이산화탄소흡착제를 재생해야 하므로 제1단계보다 높은 온도에서 조업하며, 수성가스화촉매에 가해지는 열충격을 최소화하기 위해, 300~600℃에서 조업한다.
Thus, the carbon dioxide adsorbent which adsorbs CO 2 is discharged to the CO 2 by the regeneration reaction, such as the scheme 4, and reduced to the original form of the metal oxide. At this time, the generated carbon dioxide may be released separately from the water-based gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent in the solid state by a cyclone or the like. In the third step, a mixture of CO 2 or CO 2 and H 2 O is discharged, so that by removing H 2 O by condensation, a high concentration of CO 2 can be obtained. Since the carbon dioxide adsorbent must be regenerated by heat in the third step, it is operated at a higher temperature than the first step, and in order to minimize the thermal shock applied to the water gasification catalyst, it is operated at 300 to 600 ° C.

끝으로, 제4단계는 수성화가스화촉매와 재생된 이산화탄소흡착제를 제1단계로 복귀시키는 공정이다. 이 때, 상기 이산화탄소흡착제를 이산화탄소흡착온도까지 냉각시켜야 하며, 이를 위해 별도의 냉각장치 또는 전처리반응기를 사용할 수 있다. 상기 냉각장치는 단순히 열교환기구로써, 흡열을 통해 수성화가스화촉매와 재생된 이산화탄소흡착제를 냉각시킨다. 전처리반응기는 제3단계보다 저온의 전처리가스(예를 들어, 스팀)를 공급하여 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 유동화시켜 냉각시키게 된다.
Finally, the fourth step is to return the aqueous gasification catalyst and the regenerated carbon dioxide adsorbent to the first step. At this time, the carbon dioxide adsorbent should be cooled to the carbon dioxide adsorption temperature, and a separate cooling device or pretreatment reactor may be used for this purpose. The cooling device is simply a heat exchange mechanism, which cools the aqueous gasification catalyst and the regenerated carbon dioxide adsorbent through endotherm. The pretreatment reactor supplies a pretreatment gas (for example, steam) at a lower temperature than the third stage to cool the aqueous gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent.

상술한 바와 같이, 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 순환시키는 제1단계 내지 제4단계의 과정을 통해, 고순도의 수소를 계속 생산할 수 있으며, 동시에 부산물로 이산화탄소를 생산할 수 있다.
As described above, through the processes of the first to fourth steps circulating the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent, it is possible to continue to produce high purity hydrogen, and at the same time to produce carbon dioxide as a by-product.

또한, 제1단계에서의 수성가스화전이반응과 CO2 흡착반응은 발열반응이며, 제3단계에서 CO2 흡착제의 재생반응은 흡열반응이므로, 원활한 공정을 위해서는 제1단계에서는 열추출이, 제3단게에서는 열공급이 필요하다. 제1단계에서 열추출은 스팀의 온도로 제어하거나 반응기 주위에 별도의 냉각수단을 설치할 수 있다. 또, 제3단계에서 열공급은 스팀으로 이루어지거나, 반응기 주위에 별도의 가열수단을 설치할 수 있다.
In addition, since the water gasification transition reaction and the CO 2 adsorption reaction in the first step is an exothermic reaction, and the regeneration reaction of the CO 2 adsorbent in the third step is an endothermic reaction, heat extraction is performed in the first step for a smooth process. However, a heat supply is required. Heat extraction in the first step may be controlled by the temperature of the steam or a separate cooling means may be installed around the reactor. In addition, in the third step, the heat supply may be made of steam, or a separate heating means may be installed around the reactor.

도 2는 상술한 수소생산방법에 따른 수소발생장치의 개략도이다. 상기 수소발생장치는 기본적으로 종래기술에서 공지된 수성반응기(1), 제1싸이클론(2), 루프실(3), 재생반응기(4), 및 제2싸이클론(5)을 포함한다. 2 is a schematic view of a hydrogen generator according to the hydrogen production method described above. The hydrogen generating apparatus basically comprises an aqueous reactor 1, a first cyclone 2, a loop chamber 3, a regeneration reactor 4, and a second cyclone 5 known in the prior art.

상기 수성반응기(1)는 공지의 유동층 반응기를 사용할 수 있으며, 상기 수성반응기(1)의 하측으로는 합성가스 및 스팀이 공급된다. 특히 도 2에 도시된 바와 같이, 단면적을 상부의 고속부를 하부의 저속부에 비해 좁게 하는 것에 의해 유동화가스의 속도를 증가시킬 수 있다. 또, 유동화가스의 속도 상승을 위하여 수성반응기(1)의 고속부와 저속부 사이에 추가로 스팀 등을 공급할 수 있다.The aqueous reactor 1 may be a known fluidized bed reactor, the synthesis gas and steam is supplied to the lower side of the aqueous reactor (1). In particular, as shown in FIG. 2, the velocity of the fluidizing gas can be increased by narrowing the cross section area of the upper part of the upper part compared to the lower part of the lower part. Further, in order to increase the speed of the fluidizing gas, steam or the like can be additionally supplied between the high speed portion and the low speed portion of the aqueous reactor 1.

상기 제1싸이클론(2)은 공지의 장치로써, 상기 수성반응기(1)에서 수성가스화촉매와 이산화탄소를 흡착한 이산화탄소흡착제를 원심분리하여, 고체입자인 상기 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제는 자중에 의해 낙하하고, 가벼운 기체, 즉 수소를 포함하는 가스는 상기 제1싸이클론(2)을 통해 이후 단계로 공급된다.The first cyclone (2) is a known apparatus, by centrifuging the carbon dioxide adsorbent adsorbed the aqueous gasification catalyst and carbon dioxide in the aqueous reactor (1), the aqueous gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent as solid particles A falling, light gas, ie a gas comprising hydrogen, is fed to the subsequent stage via the first cyclone 2.

상기 루프실(3)은 공지의 장치로써, 상기 수성반응기(1)와 상기 재생반응기(4)의 기체혼합 방지 및 고체입자의 순환속도조절을 위해 설치되며, 이동가스로는 이산화탄소가스 또는 스팀을 사용할 수 있다. The roof chamber 3 is a well-known device, and is installed to prevent gas mixing of the aqueous reactor 1 and the regeneration reactor 4 and to control the circulation rate of the solid particles. As the moving gas, carbon dioxide gas or steam may be used. Can be.

그리고, 상기 재생반응기(4)에서는 이산화탄소를 흡착한 이산화탄소흡착제를 가열하여, 상기 이산화탄소흡착제가 이산화탄소를 방출할 수 있도록 한다. 이 때, 상기 이산화탄소흡착제의 가열온도는 상기 수성반응기(1)의 반응온도보다 높다. 상기 재생반응기(4)에서 고체흡착제의 가열은 외부로부터 공급되는 재생가스에 의해 유동화상태에서 이루어지며, 상기 재생가스로는 스팀 또는 이산화탄소가스를 사용할 수 있다. 스팀을 이용하는 경우, 재생된 가스 중 수분만 제거하면 순수한 이산화탄소를 얻을 수 있다. In the regeneration reactor 4, the carbon dioxide adsorbent that has adsorbed carbon dioxide is heated to allow the carbon dioxide adsorbent to release carbon dioxide. At this time, the heating temperature of the carbon dioxide adsorbent is higher than the reaction temperature of the aqueous reactor (1). In the regeneration reactor 4, heating of the solid absorbent is performed in a fluidized state by regeneration gas supplied from the outside, and steam or carbon dioxide gas may be used as the regeneration gas. When steam is used, pure carbon dioxide can be obtained by removing only water from the regenerated gas.

상기 재생반응기(4)에는 제2싸이클론(5)이 연결된다. 이는 상기 재생가스에 의해 부유되는 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제의 유실을 방지하기 위한 것이다. 상기 제2싸이클론(5)의 구조는 기본적으로 상기 제1싸이클론(2)과 동일하다.The second cyclone 5 is connected to the regeneration reactor 4. This is to prevent the loss of the water gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent suspended by the regeneration gas. The structure of the second cyclone 5 is basically the same as the first cyclone 2.

상기 재생반응기(4)를 지나친 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제는 상기 수성반응기(1)로 복귀된다. 이 때, 상기 재생반응기(4)와 상기 수성반응기(1) 사이에는 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제의 냉각을 위한 냉각장치가 추가로 설치될 수 있다.The aqueous gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent that have passed through the regeneration reactor 4 are returned to the aqueous reactor 1. At this time, a cooling device for cooling the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent may be further installed between the regeneration reactor 4 and the aqueous reactor 1.

이러한 냉각장치는 간접적인 접촉에 의한 열교환장치를 이용하거나, 일정한 공간을 가지는 전처리장치(미도시)에 전처리가스를 공급하여 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제에 직접 접촉시켜 냉각하는 방법을 사용할 수 있다. 상기 전처리가스로는 질소가스와 같은 불활성기체 등을 사용할 수 있다. 상기 전처리가스의 온도는 적어도 상기 수성반응기(1)에 공급되는 합성가스 또는 스팀의 주입온도와 같거나 이보다 낮아야 한다. 그리고, 상기 전처리가스는 상기 전처리장치 내에서 상기 재생반응기(4)와 동일한 방식으로 고체흡착제를 유동층 운동을 시키는 것에 의해 고체흡착제를 빠르게 냉각시킬 수 있다. 이 경우에, 상기 전처리장치에는 별도의 싸이클론을 부착하여 수성가스화촉매 및 이산화탄소흡착제의 멸실을 방지하여야 한다.The cooling device may use a method of cooling by using a heat exchanger by indirect contact or by directly supplying a pretreatment gas to a pretreatment device (not shown) having a predetermined space and contacting the aqueous gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent. As the pretreatment gas, an inert gas such as nitrogen gas may be used. The temperature of the pretreatment gas should be at least equal to or lower than the injection temperature of the syngas or steam supplied to the aqueous reactor 1. The pretreatment gas can rapidly cool the solid adsorbent in the pretreatment apparatus by performing a fluidized bed motion of the solid adsorbent in the same manner as the regeneration reactor (4). In this case, a separate cyclone should be attached to the pretreatment device to prevent the loss of the water gasification catalyst and carbon dioxide adsorbent.

또, H2O를 흡착한 건식 고체흡착제는 이산화탄소가 H2O에 쉽게 용해되는 성질 때문에 이산화탄소의 흡착율을 더욱 높이게 된다. 따라서, 상기 전처리가스를 수증기 포화상태로 공급하여 상기 고체흡착제를 조습시키는 것이 바람직하다. The dry solid adsorbent which adsorb H 2 O is further nopyige the adsorption rate of the carbon dioxide due to the nature that the carbon dioxide is readily soluble in H 2 O. Therefore, it is preferable to supply the pretreatment gas in a state of saturated steam to humidify the solid adsorbent.

상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. It can be understood that

1: 수성반응기 2: 제1싸이클론
3: 루프실 4: 재생반응기
5: 제2싸이클론
1: aqueous reactor 2: first cyclone
3: loop chamber 4: regeneration reactor
5: second cyclone

Claims (12)

연료의 가스화로 얻어진 합성가스를 공급하여 유동화상태의 수성가스화촉매및 이산화탄소흡착제와 동시에 접촉시켜서 합성가스 중 이산화탄소의 흡착으로 인한 이산화탄소의 분압의 감소를 통해 수소생성을 촉진하는 제1단계;
제1단계에서 발생되는 기체상태의 수소를 분리하면서 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제를 이동시키는 제2단계;
수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제에 재생가스를 접촉시켜 이산화탄소흡착제에 흡착된 이산화탄소를 분리시켜 방출하는 제3단계; 및
수성화가스화촉매와 재생된 이산화탄소흡착제를 제1단계로 복귀시키는 제4단계를 포함하고,
상기 제1단계 내지 제4단계는 연속하여 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
Supplying the synthesis gas obtained by gasification of the fuel and simultaneously contacting the aqueous gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent in a fluidized state to promote hydrogen generation by reducing the partial pressure of carbon dioxide due to adsorption of carbon dioxide in the synthesis gas;
A second step of moving the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent while separating gaseous hydrogen generated in the first step;
A third step of separating and discharging carbon dioxide adsorbed on the carbon dioxide adsorbent by contacting the regeneration gas to the aqueous gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent; And
A fourth step of returning the aqueous gasification catalyst and the regenerated carbon dioxide adsorbent to the first step,
Wherein the first step to the fourth step are sequentially performed successively.
제1항에 있어서, 상기 제4단계에서는 상기 이산화탄소흡착제를 이산화탄소흡착온도까지 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method of claim 1, wherein in the fourth step, the carbon dioxide adsorbent is cooled to a carbon dioxide adsorption temperature.
제1항에 있어서, 상기 제1단계에서 합성가스와 함께 스팀이 공급되는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method of claim 1, wherein steam is supplied together with the synthesis gas in the first step.
제1항에 있어서, 상기 제3단계에서 재생가스는 이산화탄소 및 스팀 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method according to claim 1, wherein the regeneration gas in the third step comprises at least one selected from carbon dioxide and steam.
제1항에 있어서, 상기 수성가스화촉매는 CuO, ZnO, MoO3, Al2O3와 이의 복합체 및 이 물질들과 지지체의 혼합물 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method of claim 1, wherein the aqueous gasification catalyst comprises at least one selected from the group consisting of CuO, ZnO, MoO 3 , Al 2 O 3 and a complex thereof, and a mixture of these materials and a support.
제1항에 있어서, 상기 이산화탄소흡착제는 K2CO3, KHCO3, MgO, hydrotalcite, 이의 복합체 및 이 물질들과 지지체의 혼합물 중 선택된 어느 하나 이상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method of claim 1, wherein the carbon dioxide adsorbent comprises at least one selected from K 2 CO 3 , KHCO 3 , MgO, hydrotalcite, a complex thereof, and a mixture of these materials and a support.
제1항에 있어서, 상기 제2단계는 추가로 공급되는 이동가스의 압력에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The high purity hydrogen production method according to claim 1, wherein the second step is performed by a pressure of the additionally supplied moving gas.
제7항에 있어서, 상기 이동가스의 유량에 의해 수성가스화촉매와 이산화탄소흡착제의 이동량을 조절하는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The high purity hydrogen production method according to claim 7, wherein the flow rate of the water gasification catalyst and the carbon dioxide adsorbent is adjusted by the flow rate of the moving gas.
제8항에 있어서, 상기 이동가스는 스팀 또는 이산화탄소가스인 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method of claim 8, wherein the moving gas is steam or carbon dioxide gas.
제1항에 있어서, 상기 제1단계는 1차유동속도와, 상기 1차유동속도보다 빠른 2차유동속도에서 순차적으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method of claim 1, wherein the first step is performed at a first flow rate and at a second flow rate faster than the first flow rate.
제10항에 있어서, 제1단계가 이루어지는 유동반응기의 단면적을 변화시키는 것에 의해 1차유동속도와 2차유동속도를 부여하는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
The method of claim 10, wherein the primary flow rate and the secondary flow rate are imparted by changing the cross-sectional area of the flow reactor in which the first step is performed.
제10항에 있어서, 제1단계가 이루어지는 유동반응기의 중간부에 추가로 공급되는 합성가스, 스팀, 또는 이들의 혼합가스에 의해 1차유동속도와 2차유동속도를 부여하는 것을 특징으로 하는 고순도 수소생산방법.
11. The high purity of claim 10, wherein the first flow rate and the second flow rate are imparted by syngas, steam, or a mixture of these gases, which is additionally supplied to an intermediate portion of the flow reactor in which the first step is performed. Hydrogen Production Method.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101434246B1 (en) * 2014-06-09 2014-08-27 공주대학교 산학협력단 Hybrid separation methods of waste synthesis gas
KR101660472B1 (en) * 2015-05-11 2016-09-27 고려대학교 산학협력단 Method of Synthetic Natural Gas Production Using Sorption-enhanced Methanation
KR20220068086A (en) * 2020-11-18 2022-05-25 창원대학교 산학협력단 Process system for separating carbon dioxide

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