초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구를 통하여 얻어진 주요 운전연구 결과를 리포머 모듈, PSA 모듈 그리고 통합유닛 각각에 대하여 아래와 같이 정리하였다.

리포머 모듈 단독 운전 시 개질효율(=생산된 수소유량 x 수소 고위발열량/천연가스 유량 x 천연가스 고위발열량)은 77%로 나타났다. 이때의 운전조건은 리포머 반응온도 807 ℃, WGS 입구온도 200 ℃, 운전압력 8기압, S/C-비 = 3.0 이었다. PSA 모듈의 수소회수율은 90%로서 이때의 CO 불순물 농도는 1 ppm 미만이었다(탈착압

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
본 연구를 통하여 얻어진 주요 운전연구 결과를 리포머 모듈, PSA 모듈 그리고 통합유닛 각각에 대하여 아래와 같이 정리하였다.

리포머 모듈 단독 운전 시 개질효율(=생산된 수소유량 x 수소 고위발열량/천연가스 유량 x 천연가스 고위발열량)은 77%로 나타났다. 이때의 운전조건은 리포머 반응온도 807 ℃, WGS 입구온도 200 ℃, 운전압력 8기압, S/C-비 = 3.0 이었다. PSA 모듈의 수소회수율은 90%로서 이때의 CO 불순물 농도는 1 ppm 미만이었다(탈착압력 0.2기압, 흡착압력 8기압). 리포머 모듈과 PSA 모듈을 연계한 통합유닛의 운전결과, PSA off-gas를 버너에서 재활용하게 되므로 이에 따른 이득이 얻어지므로 총괄 시스템 효율은 82.2%로 나타났다. 이는 세계최고수준인 오사카가스의 HYSERVE-300 모델의 개질효율, 수소회수율 그리고 시스템효율이 각기 72%, 85%, 79%인 것에 비하면 상대적으로 우수한 성능을 보이는데 그 주된 이유는 다음과 같다.

우선 열효율 제고 측면에서 리포머 반응에 필요한 흡열반응열을 효율적으로 공급할 수 있도록 복사열이 아닌 대류전열속도(convective heat flux)가 극대화될 수 있도록 내부 열교환 반응기 형태로 설계되었다. 둘째는 공정 안정성 제고를 위하여 부하변동에 상관없이 안정적으로 스팀 발생시킴으로써 반응물 농도(S/C-비)를 균일하게 유지하는 것이 매우 중요한데, 이를 위한 수증기 발생장치 및 슈퍼히터를 내부 열교환 일체형으로 설계하였다. 이를 통하여 수증기 개질촉매의 코킹에 따른 비활성화를 최소화함과 동시에 부하변동 및 장기운전 시의 안정성을 강화하였다. 또한 기존의 상압식 PSA가 아닌 진공 PSA(=VPSA)에 의한 고순도 수소분리 4단 흡착공정 및 최적 흡착제 layering을 통하여 고순도 수소 회수율을 높였다.

이상과 같은 운전연구 및 공정개선을 통하여 200 kg/day 고순도 수소생산 유닛 기본설계 패키지가 개발 완료되었다. 향후 3차 연구 연도에서는 일차적으로 자유 이동 가능한 패키지 형태의 스키드 유닛을 개발 및 운전을 통하여 1) 효율 및 성능 최적화, 2) 안정적 제어(robust control), 3) 장기 운전 안정성 및 신뢰성 품질 데이터를 확보할 계획이다. 동시에 스케일-업(200 → 500 kg/day)을 통하여 본 연구사업의 최종 목표인 500 kg/day 급의 protype 시작품 설계/제작 및 성능평가를 진행할 계획이다.

(출처 : 요약문 6p)

Abstract ▼

Ⅳ. Result and Recommendations
The major operation research results in this work on reformer module, PSA module, and integrated unit are summarized as follows :
Upon reformer module operation alone, the reforming efficiency (produced hydrogen flow rate x higher heating value of hydrogen/natural

Ⅳ. Result and Recommendations
The major operation research results in this work on reformer module, PSA module, and integrated unit are summarized as follows :
Upon reformer module operation alone, the reforming efficiency (produced hydrogen flow rate x higher heating value of hydrogen/natural gas flow rate x higher heating value of natural gas) was 77%. The operation conditions were 807 ℃ for reformer exit temperature, 200 ℃ for WGS inlet temperature, 8 atm of operation pressure and 3.0 for S/C ratio. The hydrogen recovery of the PSA module was revealed to be 90%, and the CO impurity concentration was lower than 1 ppm (0.2 atm in desorption pressure, and 8 atm in absorption pressure). As a result of the integrated unit operation of the reformer module and PSA module, the overall system efficiency was 82% because PSA off-gas was recycled in the burner and the resulting benefit was acquired. This shows a better performance than that of the HYSERVE-300 model of Osaka Gas with reforming efficiency, hydrogen recovery, and system efficiency at 72%, 85%, and 79%, respectively.

The reasons can be explained as follows: First, the system was designed as an innovative internal heat exchange reactor type so that convective heat flux can be maximized, rather than radiant heat, for efficient supply of the endothermic heat of reaction required for reformer reaction from the heat efficiency enhancement aspect.

Second, it is very important to evenly maintain the reactant concentration (S/C ratio) by stably generating and superheating the steam, regardless of load change, for process stability enhancement by designing in the internal heat exchange type. Through this, deactivation of steam reforming catalyst by coking can be minimized, and stability upon load change and long-term operation can be consolidated. High purity hydrogen recovery rate has been possible through a 4-phase absorption process of high purity hydrogen separation and optimum absorbents layering by vacuum PSA (VPSA), not the existing atmospheric PSA.

Throughout operation research and process improvement as in the above, the 200 kg/day high purity hydrogen production unit’s basic engineering design package has been completed. In the next third year of 2019, efficiency and performance optimization, robust control, and long-term operation reliability and quality data are planned to be secured through the development and operation of a freely movable package type skid unit.

Simultaneously, the design & manufacture and performance evaluation of a 500 kg/day prototype, which can be the final goal of this research project, are planned to be performed through scale-up (200 → 500 kg/day).

(출처 : SUMMARY 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 요 약 문 ... 5
• SUMMARY ... 8
• CONTENTS ... 11
• 목차 ... 13
• 그림목차 ... 15
• 표목차 ... 17
• 제 1 장 서 론 ... 19
• 제 1 절 연구개발 목적 및 필요성 ... 19
• 제 2 절 연구개발 내용 및 범위 ... 22
• 1. 가압형 고순도 수소생산 유닛 열 및 시스템 엔지니어링 설계기술 ... 22
• 2. 고효율 열교환 일체형 리포머/WGS 모듈 원천설계기술 ... 23
• 3. 고순도 수소생산 진공탈착 PSA 모듈 원천설계기술 ... 23
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 24
• 제 1 절 국외 기술개발 현황 ... 24
• 1. 미국 및 EU ... 24
• 2. 일본 ... 29
• 제 2 절 국내 기술개발 현황 ... 36
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과 ... 37
• 제 1 절 가압형 고순도 수소생산 유닛 열 및 시스템 엔지니어링 설계기술 ... 37
• 1. 200 kg/day급 고순도 수소생산 유닛 열 및 물질 수지 분석 ... 37
• 2. 수소생산 효율 개선을 위한 설계 인자 분석 ... 43
• 제 2 절 고효율 열교환 일체형 리포머/WGS 모듈 원천설계기술 ... 47
• 1. 200 kg/day급 열교환 일체형 리포머 모듈 스케일-업 설계 ... 47
• 2. 200 kg/day급 열교환 일체형 WGS 모듈 스케일-업 설계 ... 50
• 3. 200 kg/day급 열교환 일체형 리포머/WGS 모듈 성능평가 방법 및 결과 ... 53
• 제 3 절 고순도 수소생산 진공탈착 PSA 모듈 원천설계기술 ... 68
• 1. 200 kg/day급 진공탈착 PSA 모듈 스케일-업 설계 ... 68
• 2. 200 kg/day급 진공탈착 PSA 모듈 성능평가 방법 및 결과 ... 72
• 3. 200 kg/day급 스키드 설계 ... 76
• 4. 일산화탄소 흡착제 개발 ... 78
• 제 4 장 결 론 ... 81
• 제 1 절 결론 ... 81
• 제 2 절 향후 계획 ... 82
• 참 고 문 헌 ... 83
• 부 록 ... 84
• 끝페이지 ... 187