초록 ▼

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
2차년도(2018)에 개발된 200 kg/day 급 열교환 일체형 리포머 모듈 및 VPSA 모듈의 연계 성능 평가를 통해 도출된 개선내용과 모듈별 컴팩트화 방안을 반영하여 고순도 수소생산 스키드 유닛을 설계 제작, 설치하였다. 스키드 유닛은 3D-설계를 통해 모듈 간 배치 및 배관 최적화를 추진하였고 3.8×2.6×3.6m(=L×W×H) 크기로 제작되었다.

스키드 유닛용 리포머 모듈은 단독 운전 시 개질효율(=생산된 수소유량 × 수소 고위발열량/천연가스 유량 × 천연가스 고

Ⅳ. 연구개발 결과 및 활용에 대한 건의
2차년도(2018)에 개발된 200 kg/day 급 열교환 일체형 리포머 모듈 및 VPSA 모듈의 연계 성능 평가를 통해 도출된 개선내용과 모듈별 컴팩트화 방안을 반영하여 고순도 수소생산 스키드 유닛을 설계 제작, 설치하였다. 스키드 유닛은 3D-설계를 통해 모듈 간 배치 및 배관 최적화를 추진하였고 3.8×2.6×3.6m(=L×W×H) 크기로 제작되었다.

스키드 유닛용 리포머 모듈은 단독 운전 시 개질효율(=생산된 수소유량 × 수소 고위발열량/천연가스 유량 × 천연가스 고위발열량) 77.5%를 달성하였다. 이때의 운전조건은 리포머반응온도 800 ℃, WGS 출구온도 208 ℃, 운전압력 8기압, S/C-비 = 3.0 이었다. 리포머 모듈의 부하 추종성을 확인하기 위하여 개질 부하를 50% ∼ 100%로 변화시키면서 메탄 전환율과 개질 효율을 측정하였다. 메탄 전환율은 부하 변동에 관계없이 해당 압력 및 온도조건의 평형 전환율과 거의 유사한 값을 나타내었으며 이때의 개질효율은 77% 이상이었다. 한편 100% 부하 조건 하에서 800 ℃, S/C-비(2.7 ∼ 3.0)에 따른 개질 효율을 측정하였으며 이때도 77% 이상의 효율을 나타내었다.

수소 정제 VPSA 시스템(4단 흡착 및 최적 layering)은 컴팩트화 설계를 통하여 수소 정제모듈의 설치 소요면적(footprint)을 2.6㎡(1.0×2.6m)로 줄일 수 있었으며, VPSA 모듈의 수소회수율은 91.9%로서 이때의 CO 불순물 농도는 1 ppm 미만이었다(탈착압력 0.2기압, 흡착압력 8기압).

200 kg/day급 고순도 수소생산 스키드 유닛의 성능 평가를 위해서 VPSA 모듈에서 발생하는 off-gas 전량을 리포머용 버너 연료로 사용하여 총괄 시스템 효율(= 생산된 고순도수소유량 × 수소 고위발열량/천연가스 유량 × 천연가스 고위발열량)을 측정하였다. 최적 운전조건(반응온도 800 ℃, WGS 출구온도 208 ℃, 운전압력 8기압, S/C-비 = 3.0) 에서 시스템 효율은 81.7%를 달성하였고 이때 고순도 수소생산량은 225 kg/day (105 N㎥/hr)로 측정되었다.

장기 운전 안정성 및 신뢰성 품질 데이터 확보를 위하여 연속운전 4회를 포함하여 총 누적운전 776시간을 달성하였다. 정상상태 최장 연속운전은 83 시간을 진행하였고 초기 정상상태 운전성능과 운전 종료 시 성능에 큰 차이가 없이 안정적 운전이 가능함을 확인하였다.

고순도 수소생산 유닛의 운전자동화와 시동시간 단축을 위한 운전 개선연구를 병행 수행하였다. 주요 내용은 크게 두 가지로서 첫째는 WGS 반응기의 시동용 전기히터 적용과 리포머 승온속도 최적화이며, 이를 자동화 운전 프로그램에 적용하여 시동, 정상상태 유지,및 셧다운 전과정을 최적화 하였다.

200 kg/day급 고순도 수소생산 스키드 유닛 개발 내용을 바탕으로 500 kg/day급 prototype 수소생산 유닛의 스케일-업 설계, 제작 및 현장설치 작업을 동시 진행하였다. 500kg/day급 리포머 모듈은 열 및 물질전달의 상사성을 이용하여 200 kg/day급에서 적용한 반응 튜브의 개수 증가(numbering-up)를 통한 용량 증가 방식을 적용하였다. 3D-설계를 통해 리포머 모듈과 VPSA 모듈의 배치를 최적화하여 500 kg/day급 prototype 고순도 수소생산 유닛을 7.0×3.0×3.8m(=L×W×H) 크기로 제작하였다. 당해연도(2019)에 부속 기기의 시운전과 공정 개선을 통해 차년도(2020) 개발 기간을 단축하여 국가 수소경제 활성화 로드맵 일정에 선제적으로 대응하고자 한다.

4차년도(2020) 연구에서는 스케일-업(200 → 500 kg/day) 방법론의 검증 및 prototype 성능 평가를 통한 설계 개선 및 3D-설계를 통한 스키드 유닛 구축을 목표로 한다. 이를 통하여 본 연구사업의 최종 목표인 500 kg/day급 수소생산 스키드 유닛 운전 최적화 연구를 수행함으로써 공정 신뢰성 및 비용경제성 확보를 위한 데이터베이스를 마련할 계획이다.

(출처 : 요약문 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• 목차 ... 7
• 1. 일반현황(수소경제 활성화 4대 키워드) ... 8
• 2. 연구목표 vs. 달성도 ... 13
• 3. 주요 개발 이슈 및 추진전략 ... 14
• 4. 주요 수행 내용 ... 17
• 5. 차별성(기술경쟁력) ... 23
• 6. 연구성과의 활용성 ... 24
• 7. 요약(향후 계획) ... 25
• 부록 ... 28
• 끝페이지 ... 43